Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие один и тот же заряд ядра, но разную массу, называются изотопами (от слов «изос» – одинаковый, «топос» – место).
Сведения об изотопах позволяют дать точное определение понятия «химический элемент». Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Изотоп – это вид атомов с одинаковым зарядом ядер и одинаковой массой.
Мы узнали, что атомы делимы и не вечны. Остается рассмотреть вопрос: действительно ли атомы одного и того же элемента одинаковы между собой во всех отношениях, в частности действительно ли они имеют одну и ту же массу?
Так как общая масса электронов, входящих в состав атома, незначительна по сравнению с массой его ядра, атомные веса элементов должны быть кратными по отношению к массе протона или нейтрона, т. е. кратными единице. Иначе говоря, атомные веса всех элементов должны выражаться целыми числами (точнее, близкими к целым числам). На некоторых элементах этот вывод оправдывается. Но существует много элементов, атомные веса которых выражаются дробными числами. Например, атомный вес хлора 35,45. В действительности в природе нет ни одного атома хлора, который имел бы такую массу. Элемент хлор представляет собой смесь двух видов атомов: одни атомы хлора имеют атомную массу 35, а другие 37. Найденная химическими способами атомная масса хлора 35,45 – это лишь средний вес его атомов. Более легких атомов в хлоре содержится больше, чем более тяжелых; поэтому средняя масса атомов хлора 35,45 ближе к атомному весу легкой разновидности – атомов хлора.
Подобно хлору, большинство химических элементов представляют собой смеси атомов, отличающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же заряд ядра.
Под химическим знаком хлора Cl подразумевают природную смесь обоих изотопов хлора. Когда же приходится говорить о каждом изотопе в отдельности, к знаку хлора приписывают численное значение массы атома изотопа, о котором идет речь 35 Cl, 37 Cl.
Подобно хлору, большинство химических элементов представляет смеси изотопов. Ядра изотопов каждого элемента содержа г одно и то же число протонов, но различное число нейтронов. Так, ядра изотопов 35 Cl и 37 Cl содержат по 17 протонов (порядковый номер хлора 17) и различное число нейтронов: ядра 35 Cl содержат 18 нейтронов, а ядра 37 Cl – 20 нейтронов.
Атомная масса элемента тем меньше, чем больше в состав элемента входит легких изотопов его. Если в состав элемента с меньшим порядковым номером входят преимущественно атомы тяжелых его изотопов, а в состав следующего за ним элемента – атомы более легких его изотопов, то окажется, что средняя масса атома элемента с большим порядковым номером будет не больше, а меньше среднего веса атома элемента с меньшим порядковым номером. Это, например, наблюдается у аргона Ar и калия К.
Чрезвычайное сходство химических свойств изотопов одного и того же элемента, несмотря на разную массу их атомов, подтверждает уже сделанный ранее вывод: свойства химических элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда атомного ядра.
Малюгина 8. Изменения в составе ядер. Изотопы. Химический элемент.
Положение химического элемента в периодической системе зависит от величины заряда атомного ядра, т. е. от числа протонов в нем.
Ядерные реакторы" href="/text/category/yadernie_reaktori/" rel="bookmark">ядерном реакторе атомной электростанции .
Рис 1. Ядерные реакции на Солнце
Что будет, если изменить количество нейтронов в атоме , не изменяя количество протонов? Заряд ядра, а значит положение элемента в периодической системе, не изменится. Значит, новый элемент не образуется. Это будет все тот же химический элемент , но атомы его будут отличаться от исходного своей массой .
Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов называют изотопами .
12С – углерод-12 13С – углерод-12 14С – углерод-14
Слово изотоп от греческих слов: изос - «один», топос – «место», обозначает «занимающий одно место» т. е. клетку в периодической системе химических элементов.
: Изотопы - разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа.
Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева вверху от которых записывают массовое число изотопа, а внизу – порядковый номер (заряд ядра атома) элемента, например,
126С – изотоп углерода с массовым числом 12
188О – изотоп кислорода с массовым числом 18
Иногда в символах изотопов записывают только массовые числа: 12С, 18О, 27Аl. В названии указывают его массовое число: углерод-12, кислород -18 и т. п.
В природе различные химические элементы имеют разное число изотопов с разным процентным содержанием каждого из них. Изотопы элемента с меньшим массовым числом называют легкими, изотопы с большим массовым числом называют тяжелыми.
Изотопы так же делятся на стабильные и нестабильные (радиоактивные). Некоторые нестабильные изотопы используют как «меченые атомы» в научных исследованиях.
Изотопы одного химического элемента не отличаются химическими свойствами. Исключение составляет водород . Из-за кратного увеличения его массы при изменении в составе ядра числа протонов, свойства изотопов значительно разнятся.
Элемент водород имеет три изотопа, каждому из которых присвоено свое название и обозначение:
11Н - протий | 21Н (D) – дейтерий | 31Н (Т) - тритий |
1 протон, нейтронов нет | 1 протон, 1 нейтрон | 1 протон, 2 нейтрона |
Типовая задача 1.
Чему равно число нейтронов в атомах следующих изотопов: 15N, 119Sn, 235U
Решение
Число нейтронов - это разность между массовым числом и числом протонов (N = A – Z, где N –число нейтронов, A – массовое число, Z - число протонов).
Число протонов = порядковому номеру.
Для решения задачи найдем в ПСХЭ порядковые номера элементов и вычислим количество нейтронов, как разность между массовым числом и количеством протонов:
157N: N =15-7 =8; 8 нейтронов
11950Sn: N =119-50 =69; 69 нейтронов
23592U: N =235-92 =143; 143 нейтрона
Вопросы для самоконтроля:
1. От чего зависит положение химического элемента в периодической системе?
2. Почему атом магния занимает клетку ПСХЭ под номером 12?
3. Что произойдет с атомом, если в его ядре изменить (увеличить или уменьшить) количество протонов?
4. Как называются процессы, протекающие с изменением состава ядер?
5. Что произойдет с атомом, если в его ядре изменить количество нейтронов?
6. Что называют изотопами?
7. Чем отличаются атомы изотопов одного элемента?
8. Сколько изотопов может иметь атом?
9. Как называются изотопы водорода? Каков состав ядер этих изотопов?
10. Как обозначают и как называют изотопы элементов?
11. Почему изотопы хлора имеют одинаковые свойства, а изотопы водорода – разные?
12. Как классифицируют изотопы?
13. Почему проявляют разные химические свойства частицы 4019К и 4018Ar?
Посмотреть ответ
1. От величины заряда атомного ядра.
2. Заряд ядра атома магния равен 12, в ядре содержится 12 протонов.
3. Изменится заряд ядра, значит получится другой химический элемент.
4. Ядерными реакциями.
5. Изменится масса атома, химический элемент останется тем же.
6. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов называют изотопами.
7. Числом нейтронов.
8. В природе элементы имеют разное число изотопов с разным процентным содержанием каждого из них.
9. У водорода три изотопа:
11Н - протий | 21Н (D) – дейтерий | 31Н (Т) - тритий |
1 протон, нейтронов нет | 1 протон, 1 нейтрон | 1 протон, 2 нейтрона |
10. Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева вверху от которых записывают массовое число изотопа 12С и указывают его в названии: углерод-12.
11. Изотопы химических элементов имеют, как правило, одинаковые свойства. Однако, у водорода при изменении числа нейтронов кратно увеличивается масса. Поэтому свойства изотопов водорода существенно отличаются. В связи с этим изотопы водорода получили индивидуальные названия: протий, дейтерий, тритий.
12. На легкие и тяжелые, на стабильные и нестабильные (радиоактивные).
13. Потому, что это разные химические элементы, они отличаются зарядом атомного ядра.
Задачи для самостоятельного решения
1. Напишите символы изотопов олова, атомы которых содержат 66, 68, 69, 71 ,72 нейтрона
2. Определите относительную молекулярную массу воды, молекулы которой содержат тяжелый изотоп водорода – дейтерий.
3. Чему равен порядковый номер элемента, массовое число одного из изотопов которого равно 31, а число нейтронов равно 16
Посмотреть ответ
1. Изотопы – атомы с одинаковым зарядом атомного ядра, но разным массовым числом. Заряд ядра атома = порядковому номеру. Находим в ПСХЭ порядковый номер химического элемента олова (равен 50), вычисляем массовое число (столбец 3).
Число нейтронов | Число протонов = порядковому номеру =50 | Массовое число: сумма нейтронов и протонов | |
11650Sn или 116Sn |
|||
11850Sn или 118Sn |
|||
11950Sn или 119Sn |
|||
12150Sn или 121Sn |
|||
12250Sn или 122Sn |
2. Mr (D2О) = 2·2 +16 = 20
3. Массовое число – это сумма протонов и нейтронов. Число протонов в атоме равно 31-16 =15. Число протонов = порядковому номеру, следовательно это элемент №15 – фосфор Р
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Хлор - семнадцатый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Cl от латинского «chlorum». Расположен в третьем периоде, VIIА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 17.
Важнейшим природным соединением хлора является хлорид натрия (поваренная соль) NaCl. Главная масса хлорида натрия находится в воде морей и океанов. Воды многих озер также содержат значительное количество NaCl. Он встречается также и в твердом виде, образуя местами в земной коре мощные пласты так называемой каменной соли. В природе распространены и другие соединения хлора, например хлорид калия в виде минералов карналлита KCl×MgCl 2 ×6H 2 O и сильвина KCl.
В обычных условиях хлор представляет собой газ желто-зеленого цвета (рис. 1), который хорошо растворяется в воде. При охлаждении из водных растворов выделяются кристаллогидраты, являющиеся кларатами приблизительного состава Cl 2 ×6H 2 Oи Cl 2 ×8H 2 O.
Рис. 1. Хлор в жидком состоянии. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса хлора
Относительной атомной массой элемента называют отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома углерода. Относительная атомная масса безразмерна и обозначается A r (индекс «r» — начальная буква английского слова relative, что в переводе означает «относительный»). Относительная атомная масса атомарного хлора равна 35,457 а.е.м.
Массы молекул, также как массы атомов выражаются в атомных единицах массы. Молекулярной массой вещества называется масса молекулы, выраженная в атомных единицах массы. Относительной молекулярной массой вещества называют отношение массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода, масса которого равна 12 а.е.м. Известно, что молекула хлора двухатомна - Cl 2 . Относительная молекулярная масса молекулы хлора будет равна:
M r (Cl 2) = 35,457 × 2 ≈ 71.
Изотопы хлора
Известно, что в природе хлор может находиться в виде двух стабильных изотопов 35 Cl (75,78%) и 37 Cl (24,22%). Их массовые числа равны 35 и 37 соответственно. Ядро атома изотопа хлора 35 Cl содержит семнадцать протонов и восемнадцать нейтронов, а изотоп 37 Cl- такое же количество протонов и двадцать нейтронов.
Существуют искусственные изотопы хлора с массовыми числами от 35-ти до 43-х, среди которых наиболее стабильным является 36 Cl с периодом полураспада равным 301 тысяча лет.
Ионы хлора
На внешнем энергетическом уровне атома хлора имеется семь электронов, которые являются валентными:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 .
В результате химического взаимодействия хлор может терять свои валентные электроны, т.е. являться их донором, и превращаться в положительно заряженные ионы или принимать электроны другого атома, т.е. являться их акцептором, и превращаться в отрицательно заряженные ионы:
Cl 0 -7e → Cl 7+ ;
Cl 0 -5e → Cl 5+ ;
Cl 0 -4e → Cl 4+ ;
Cl 0 -3e → Cl 3+ ;
Cl 0 -2e → Cl 2+ ;
Cl 0 -1e → Cl 1+ ;
Cl 0 +1e → Cl 1- .
Молекула и атом хлора
Молекула хлора состоит из двух атомов - Cl 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу хлора:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Какой объем хлора надо взять для реакции с 10 л водорода? Газы находятся при одинаковых условиях. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия хлора с водородом:
Cl 2 + H 2 = 2HCl. Рассчитаем количество вещества водорода, вступившего в реакцию: n (H 2)=V (H 2) / V m ; n (H 2)= 10 / 22,4 = 0,45 моль. Согласно уравнению, n (H 2)= n (Cl 2)= 0,45 моль. Тогда, объем хлора, вступившего в реакцию взаимодействия с водородом равен: |
Введение……………………………………………………………………………………………3
1. Символ элемента, положение его в периодической системе элементов Д.И. Менделеев. Атомная масса…………………………………………………………………………………….4
2. Строение ядра атома хлора. Возможные изотопы. Примеры………………………….5
3. Электронная формула атома: распределение электронов по уровням, подуровням, ячейкам Хунда. Возбуждённое состояние атома хлора………………………………………………….6
4. Валентность атома алюминия в стационарном и возбуждённом состояниях. Возможные степени окисления атома хлора. Окислительно – восстановительные свойства. Примеры схем перемещения электронов………………………………………………………………………….8
5. Эквиваленты хлора и его соединений. Примеры расчётов……………………………..11
6. Химические свойства хлора и его соединений. Примеры реакций……………………12
7. Виды концентраций……………………………………………………………………….15
8. Электролитическая диссоциация. Схема процесса диссоциации гидроксида. Константа диссоциации………………………………………………………………………………………17
9. Расчёт pH, pOH 0.01м раствора гидроксида или соли элемента………………………21
10. Гидролиз…………………………………………………………………………………..23
11. Качественный анализ хлора………………………………………………………………24
12. Методы количественного определения атома хлора или его соединений……………27
12.1. Гравиметрический метод анализа атома хлора………………………………………...27
13. Заключение……………………………………………………………………………….29
Список литературы………………………………………………………………………………32
Введение
Соединение с водородом - газообразный хлороводород - было впервые получено Джозефом Пристлив 1772 г. Хлор был получен в1774 г.шведским химикомКарлом Вильгельмом Шееле, описавшим его выделение при взаимодействиипиролюзитассоляной кислотойв своём трактате о пиролюзите:
Шееле отметил запах хлора, схожий с запахом царской водки, его способность взаимодействовать сзолотомикиноварью, а также его отбеливающие свойства. Однако Шееле, в соответствии с господствовавшей в химиитого времени теориифлогистона, предположил, что хлор представляет собой дефлогистированную муриевую (соляную) кислоту.БертоллеиЛавуазьев рамках кислородной теории кислот обосновали, что новое вещество должно быть оксидом гипотетическогоэлементамурия . Однако попытки его выделения оставались безуспешными вплоть до работ Дэви, которомуэлектролизомудалось разложитьповаренную сольна натрий хлор, доказав элементарную природу последнего.
1. Символ элемента, положение его в периодической системе элементов д.И. Менделеев. Атомная масса
Х
лор
(от греч. χλωρός - «зелёный») - элемент
17-й группы периодической таблицы
химических элементов (по устаревшей
классификации - элемент главной
подгруппы VII группы), третьего периода,
с атомным номером 17. Обозначается
символом Cl (лат. Chlorum). Химически активный
неметалл. Входит в группу галогенов
(первоначально название «галоген»
использовал немецкий химик Швейгер для
хлора - дословно «галоген» переводится
как солерод - но оно не прижилось и
впоследствии стало общим для 17-й (VIIA)
группы элементов, в которую входит и
хлор).
Простое вещество хлор (CAS-номер: 7782-50-5) при нормальных условиях - ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, тяжелее воздуха, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).
Атомная масса
(молярная масса)
[комм 1] а. е. м. (г/моль)
2. Строение ядра атома хлора. Возможные изотопы. Примеры
В природе встречаются 2 стабильных изотопа хлора: с массовым числом 35 и 37. Доли их содержания соответственно равны 75,78 % и 24,22%.
|
Изотоп |
Относительная масса, а.е.м. |
Период полураспада |
Тип распада |
Ядерный спин |
|
Стабилен | ||||
|
β-распадв 36 Ar | ||||
|
Стабилен | ||||
|
37,2 минуты |
β-распад в 38 Ar | |||
|
55,6 минуты |
β-распад в 39 Ar | |||
|
1,38 минуты |
β-распад в 40 Ar |
3. Электронная формула атома: распределение электронов по уровням, подуровням, ячейкам Хунда. Возбуждённое состояние атома хлора
Хлор в периодической системе химических элементов находится в 3 периоде, VII группе, главной подгуппе (подгуппа галогенов) .
Заряд ядра атома Z = + = + 17
Количество протонов N(p+) = 17
Количество электронов N(e-) = 17
В возбужденном сотоянии:
1) 3s2 3p5 3d0 + hn --> 3s2 3p4 3d1
3 неспаренных электрона (2 электрона на 3р-подуровне и 1 электрон на 3d-подуровне) , следовательно валентность равна 3
Пример соединения: HClO2, Cl2O3
2) 3s2 3p4 3d1 + hn --> 3s2 3p3 3d2
5 неспаренных электронов (3 электрона на 3р-подуровне и 2 электрона на 3d-подуровне) , следовательно валентность равна 5
Пример соединения: HClO3, Cl2O5
3) 3s2 3p3 3d2 + hn --> 3s1 3p3 3d3
7 неспаренных электронов (1 электрон на 3s-подуровне, 3 электрона на 3р-подуровне и 3 электрона на 3d-подуровне), следовательно валентность равна 5
4. Валентность атома алюминия в стационарном и возбуждённом состояниях. Возможные степени окисления атома хлора. Окислительно – восстановительные свойства. Примеры схем перемещения электронов
Валентные электроны: 3s2 3p5
В невозбужденном состоянии у атома хлора на 3 энергетическом уровне находится один неспаренный электрон, следовательно, невозбужденный атом хлора может проявлять валентность 1. Валентность 1 проявляется в следующих соединениях:
Газообразный хлор Cl2 (или Сl-Cl)
Хлорид натрия NaCl (или Na+ Cl-)
Хлороводород HCl (или H-Cl)
Хлорноватистая кислота HOCl (или H-O-Cl)
Окислительно – восстановительные свойства.
HCl - степень окисления хлора -1
HClO3 - степень окисления хлора +5
HClO4 - степень окисления хлора +7
Промежуточная степень окисления говорит о том, что данный элемент может проявлять как восстановительные так и окислительные свойства, это - HClO3
Окислительные свойства проявляют элементы, у которых максимальная степень окисления (она равна номеру группы, в которой находится элемент). Значит, HClO4 - окислитель.
Восстановительными свойствами обладает элемент с наменьшей степенью окисления, т.е. HCl - восстановитель.
Хлор является сильным окислителем. Различные соединения хлора могут быть использованы в качестве окислителей. Это хлор С12), хлорноватистая кислота НСЮ, соли хлорноватистой кислоты - гипохлорит натрия NaCIO или гипохлорит кальция Са(СЮ)2 и оксид хлора СЮ2.
Хлорирование применяют для удаления из сточных вод фенолов, крезолов, цианидов, сероводорода. Для борьбы с биологическими обрастаниями сооружений его используют в качестве биоцида. Применяют хлор и для обеззараживания воды.
Хлор поступает на производство в жидком виде с содержанием не менее 99,5 %. Хлор является высокотоксичным газом, он обладает способностью накапливаться и концентрироваться в небольших углублениях. С ним достаточно трудно работать. При попадании в воду происходит гидролиз хлора с образованием соляной кислоты. С некоторыми органическими веществами, которые присутствуют в растворе, С12 может вступать в реакции хлорирования. В результате образуются вторичные хлорорганические продукты, которые обладают высокой степенью токсичности. Поэтому применение хлора стремятся ограничить.
Хлорноватистая кислота НСЮ обладает такой же окислительной способностью, как и хлор. Однако ее окислительные свойства проявляются только в кислой среде. Кроме того хлорноватистая кислота является нестабильным продуктом - со временем и на свету она разлагается.
Широкое применение получили соли хлорноватистой кислоты. Гипохлорит кальция Са(СЮ)2 выпускается трех сортов с концентрацией активного хлора от 32 до 35 %. На практике используют также двухосновную соль Са(СЮ)2- 2Са(ОН)г 2Н20.
Наиболее устойчива соль гипохлорита натрия NaOCl * 5Н20, которую получают при химическом взаимодействии газообразного хлора с раствором щелочи или при электролизе поваренной соли в ванне без диафрагмы.
Оксид хлораСO2 - газ зеленовато-желтого цвета, хорошо растворим в воде, сильный окислитель. Его получают взаимодействием хлорита NaC102 с хлором, соляной кислотой или озоном. При взаимодействии оксида хлора с водой не ротекают реакции хлорирования, что исключает образование хлорорганических веществ. В последнее время проводятся широкие разработки по выяснению условий замены хлора на оксид хлора в качестве окислителя. На ряде российских заводов внедрены передовые технологии с использованием СO2.
Большинство элементов, содержащихся в природе, состоит из нескольких видов атомов, отличающихся значениями относительной атомной массы.
Пример. Хлор в природе встречается как смесь двух видов атомов, один из которых содержит 18, а другой – 20 нейтронов в ядре.
Каждый вид атомов независимо от принадлежности к конкретному элементу однозначно описывается числом нуклонов (суммой протонов и нейтронов). Поэтому число видов атомов превышает число элементов.
Каждый вид атомов (вид ядер) называется нуклидом.
Нуклид – это вид атомов и ядер, отвечающий определенным числам протонов и нейтронов.
Нуклиды, принадлежащие одному элементу и однозначно определяемые
числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, называются изотопными нуклидами, или просто изотопами.
Изотопы элемента – это нуклиды, обладающие равным зарядом ядра (числом протонов).
Изотопы элемента различаются только числом нейтронов и, следовательно, общим числом нуклонов.
Например: Ядра двух природных изотопов хлора содержат по 17 протонов, но 18 и 20 нейтронов, т. е. 35 и 37 нуклонов соответственно.
Вследствие того, что именно числом протонов в ядре определяется число электронов в оболочке атома и химические свойства элемента, следует, что атомы всех изотопов одного и того же элемента имеют одинаковое электронное строение, а сами изотопы – близкие химические свойства, из-за чего их не удается разделить химическими методами.
В природе встречаются элементы, имеющие только один изотоп. Такиё элементы называются изотопно-чистыми. В современной Периодической системе насчитывается 21 изотопно-чистый элемент (ниже они перечислены по возрастанию порядкового номера): Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi, Th.
Остальные природные элементы представляют собой смесь двух или более изотопов, атомы которых различаются по числу нуклонов. Такие элементы называются изотропно-смешанными, их в Периодической системе большинство. Значения относительных атомных масс таких элементов отвечают природной смеси изотопов и являются усредненными по содержанию изотопов, поэтому значения А г многих элементов сильно отклоняются от целочисленных значений. Даже углерод, который принят за точку отсчета относительных атомных масс других элементов, является изотопно-смешанным, элементом (два изотопа с А, = 12 и А, = 13), и мерой определения относительной атомной массы служит один из природных изотопов углерода, а именно углерод –12. Наибольшее число изотопов (десять) имеет элемент олово.
Для нуклидов точные значения относительных атомных масс всегда близки к целочисленным значениям, поэтому массы нуклидов можно сравнивать по этим значениям А г, называемым массовыми числами.
Массовое число нуклида равно числу содержащихся в нем нуклонов (сумме протонов и нейтронов).
Для обозначения конкретного нуклида применяется специальная символика, Слева от символа химического элемента верхним индексом указывается массовое число, а нижним индексом – заряд ядра. Например: 6 12 С, 17 35 Cl и.т.д.
