Изотопы, изобары, изотоны, изомеры

Атомы, имеющие в ядрах одинаковое число протонов, называются изотопами. Они в таблице Д. И. Менделеева занимают одну клетку. Например, природный кислород имеет три изотопа: О (99,76 %); О (0,04 %); О (0,20 %).

Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет привести более полное определение понятия элемента: химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой. Поэтому введено понятие относительной атомной массы А_r (безразмерная величина). Относительной атомной массой А_r химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава к 1/12 массы атома углерода С.

Например, А_r(Н) равна

А_r(Н) = = = 1,0079.

Относительная атомная масса А_r – средняя величина массовых чисел его природных изотопов с учетом распространенности:

А_r(Э) = ,

где A_i – относительная атомная масса изотопа; ω_i – массовая доля изотопа.

Например, определим атомную массу хлора, если известны атомные массы и распространенности его изотопов Cl (75,43 %) и Cl (24,57 %):

А_r(Cl) = А₁ω₁ + А₂ω₂ = 350,7543 + 340,2457 = 35,491.

Как химические, так и некоторые физические свойства, зависящие от строения электронной оболочки, у изотопов почти тождественны, т. е. не отличаются по химическим свойствам и в химических реакциях ведут себя одинаково.

Изобары – атомы с одинаковой атомной массой и различными порядковым номером Z и числом нейтронов N: Ar, K, Ca.

Различают еще изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов N, но разными атомными массами и числом протонов Z: Xe (54 p, 82 n), Ba (56 p, 82 n), La (57 p, 82 n).

Также можно отметить еще изомеры – атомы, имеющие одинаковое число протонов и нейтронов, но различную энергию ядер (период полураспада): Ра (невозбужденное состояние; _1/2 = 1,18 мин.); Ра (_1/2 = 6,7 часа), где _1/2 – период полураспада (пояснение далее). Уже известно более 200 видов изомерных пар.

Электронные спектры атомов. Теория Бора

Атом, как было уже показано, состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

В химических реакциях ядра атомов практически не изменяются. Поэтому для химии наибольший интерес представляют электроны и их взаимное расположение в атоме, так как от них зависит протекание реакций и образование тех или иных соединений.

Атомные спектры. Квантовый характер излучения. Электронные оболочки атомов. Основой для создания теории строения электронной оболочки явились опыты Э. Резерфорда по рассеянию -частиц и атомные спектры.

В 1900 г. Макс Планк, изучая распределение энергии теплового излучения, испускаемого нагретыми телами, установил, что световая энергия поглощается и излучается не непрерывно, а отдельными мельчайшими порциями – квантами. Энергия квантов Е зависит от частоты излучаемого света :

Е = h  (А. Эйнштейн, 1905 г.),

где  = – частота колебаний, с = 2,99810⁸ м/с – скорость света; h – постоянная Планка (квант действия), коэффициент пропорциональности между энергией и частотой колебания, h = 6,62610^–34 Джс.

Таким образом, энергия может поглощаться или излучаться порциями h, 2 h, 3 h,..., n h, но не может - дробными частями: 1,1 h; 1,8 h и т. д. Отсюда линейчатость атомных спектров. Однако теория квантов не давала ответа, вследствие каких причин наблюдаются различные состояния электронов в атомах. Ответ на этот вопрос можно получить, только зная строение и особенности электронной оболочки атома.

Датский физик Нильс Бор в 1913 г. разработал теорию строения атома водорода, используя модель Резерфорда и квантовую теорию излучения Планка. В основу теории Бор положил два постулата.

Первый постулат Бора. Электрон вращается вокруг ядра по стационарным орбитам, находясь на которых, не излучает и не поглощает энергию. Момент количества движения электрона, находящегося на этих орбиталях, имеет значения, кратные величине h/2. При этом центростремительная сила притяжения электрона на n-ой орбите, равная, компенсируется центробежной силой mVr. Так как запас энергии электрона на орбите равен , то решая это выражение вместе с mVr = , можно получить выражение для радиуса стационарной орбиты и скорости движения электрона на ней.

r_n = = 0,5310^–10n² = 0,5310^–10 м = 0,53 Å.

V_n = =2,18710⁶ м/с,

где h – постоянная Планка; m – масса электрона, равная 9,110^–31 кг; е = 1,610^–19 Кл – заряд электрона; n – номер орбиты.

Для атома водорода радиусы стационарных орбит относятся между собой как квадраты целых чисел – r₁ : r₂ : r₃ : ... : r_n = 1² : 2² : 3² : ...: n², а скорости относятся V : V/2 : V/3 : ... : V_n/n = 1 : 2 : 3 : ...: n, т. е. на второй орбите меньше, чем на первой в два раза, на третьей – в три раза и т. д. (рис.1.3). Каждой стационарной орбите отвечает дискретное значение энергии: Е₁, Е₂, Е₃, ... , Е_n.

Второй постулат Бора. При переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или выделяет квант энергии, характеризующийся определенной частотой колебаний  = Е_д – Е_б/h, или

Рис.1.3.Модель строения атома по Бору

Ед–Еб = . После подстановки соответствующих величин получаем Ед–Еб = 21,810–19 , где Ед и Еб – энергия электрона на дальней и ближней орбитах (квантовые числа).

Когда электрон находится на первой орбите, он наиболее прочно связан с ядром. Это самое устойчивое состояние электрона (атома) называется нормальным (стационарным) состоянием. Все остальные состояния с большей энергией называются возбужденными. При удалении электрона с первой (ближайшей к ядру) орбиты на бесконечно большое расстояние от ядра, необходимо затратить максимальное количество энергии. Этот процесс называется ионизацией.