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4.8: Isótopos: Quando o número de nêutrons varia


objetivos de aprendizado

  • Explique o que são isótopos e como um isótopo afeta a massa atômica de um elemento.
  • Determine o número de prótons, elétrons e nêutrons de um elemento com um determinado número de massa.

Todos os átomos do mesmo elemento têm o mesmo número de prótons, mas alguns podem ter números diferentes de nêutrons. Mas alguns átomos de carbono têm sete ou oito nêutrons em vez dos seis usuais. Os átomos do mesmo elemento que diferem em seu número de nêutrons são chamados isótopos. Muitos isótopos ocorrem naturalmente. Normalmente, um ou dois isótopos de um elemento são os mais estáveis ​​e comuns. Isótopos diferentes de um elemento geralmente têm as mesmas propriedades físicas e químicas porque têm o mesmo número de prótons e elétrons.

Um exemplo: isótopos de hidrogênio

O hidrogênio é um exemplo de elemento que possui isótopos. Três isótopos de hidrogênio são modelados na Figura ( PageIndex {1} ). A maioria dos átomos de hidrogênio tem apenas um próton, um elétron e falta um nêutron. Esses átomos são chamados apenas de hidrogênio. Alguns átomos de hidrogênio também possuem um nêutron. Esses átomos são o isótopo denominado deutério. Outros átomos de hidrogênio têm dois nêutrons. Esses átomos são o isótopo denominado trítio.

Figura ( PageIndex {1} ): Os três isótopos mais estáveis ​​do hidrogênio: prótio (A = 1), deutério (A = 2) e trítio (A = 3). (CC SA-BY 3.0; Balajijagadesh).

Para a maioria dos elementos além do hidrogênio, os isótopos são nomeados de acordo com seu número de massa. Por exemplo, átomos de carbono com os 6 nêutrons usuais têm um número de massa de 12 (6 prótons + 6 nêutrons = 12), então eles são chamados de carbono-12. Os átomos de carbono com 7 nêutrons têm uma massa atômica de 13 (6 prótons + 7 nêutrons = 13). Esses átomos são o isótopo denominado carbono-13.

Exemplo ( PageIndex {1} ): Isótopos de Lítio

  1. Qual é o número atômico e o número da massa de um isótopo de lítio contendo 3 nêutrons?
  2. Qual é o número atômico e o número da massa de um isótopo de lítio contendo 4 nêutrons?

Solução

Um átomo de lítio contém 3 prótons em seu núcleo, independentemente do número de nêutrons ou elétrons.

uma.

[ begin {align} text {número atômico} = left ( text {número de prótons} right) & = 3 nonumber left ( text {número de nêutrons} right) & = 3 nonumber end {align} nonumber ]

[ begin {align} text {número de massa} & = left ( text {número de prótons} right) + left ( text {número de nêutrons} right) nonumber text {mass número} & = 3 + 3 não número & = 6 não número fim {alinhar} não número ]

b.

[ begin {align} text {número atômico} = left ( text {número de prótons} right) & = 3 nonumber left ( text {número de nêutrons} right) & = 4 nonumber end {align} nonumber ]

[ begin {align} text {número de massa} & = left ( text {número de prótons} right) + left ( text {número de nêutrons} right) nonumber text {mass número} & = 3 + 4 não número & = 7 não número fim {alinhar} não número ]

Observe que, como o átomo de lítio sempre tem 3 prótons, o número atômico para o lítio é sempre 3. O número de massa, entretanto, é 6 no isótopo com 3 nêutrons e 7 no isótopo com 4 nêutrons. Na natureza, existem apenas certos isótopos. Por exemplo, o lítio existe como um isótopo com 3 nêutrons e como um isótopo com 4 nêutrons, mas não existe como um isótopo com 2 nêutrons ou como um isótopo com 5 nêutrons.

Estabilidade de Isótopos

Os átomos precisam de uma certa proporção de nêutrons para prótons para ter um núcleo estável. Ter muitos ou poucos nêutrons em relação aos prótons resulta em um núcleo instável, ou radioativo, que mais cedo ou mais tarde se decomporá em uma forma mais estável. Este processo é chamado de decaimento radioativo. Muitos isótopos têm núcleos radioativos e esses isótopos são chamados de radioisótopos. Quando eles se decompõem, eles liberam partículas que podem ser prejudiciais. É por isso que os isótopos radioativos são perigosos e porque trabalhar com eles requer trajes especiais de proteção. O isótopo de carbono conhecido como carbono-14 é um exemplo de radioisótopo. Em contraste, os isótopos de carbono chamados carbono-12 e carbono-13 são estáveis.

Toda essa discussão sobre isótopos nos traz de volta à Teoria Atômica de Dalton. De acordo com Dalton, os átomos de um determinado elemento são idênticos. Mas se os átomos de um determinado elemento podem ter diferentes números de nêutrons, então eles também podem ter diferentes massas! Como Dalton perdeu isso? Acontece que os elementos encontrados na natureza existem como misturas uniformes constantes de seus isótopos que ocorrem naturalmente. Em outras palavras, um pedaço de lítio sempre contém os dois tipos de lítio de ocorrência natural (o tipo com 3 nêutrons e o tipo com 4 nêutrons). Além disso, ele sempre contém os dois nas mesmas quantidades relativas (ou "abundância relativa"). Em um pedaço de lítio, (93 \% ) sempre será lítio com 4 nêutrons, enquanto o restante (7 \% ) sempre será lítio com 3 nêutrons.

Dalton sempre fazia experiências com grandes pedaços de um elemento - pedaços que continham todos os isótopos naturais desse elemento. Como resultado, quando ele realizou suas medições, ele estava realmente observando as propriedades médias de todos os diferentes isótopos na amostra. Para a maioria de nossos objetivos em química, faremos a mesma coisa e lidaremos com a massa média dos átomos. Felizmente, além de terem massas diferentes, a maioria das outras propriedades dos diferentes isótopos são semelhantes.

Existem duas maneiras principais pelas quais os cientistas freqüentemente mostram o número de massa de um átomo em que estão interessados. É importante notar que o número de massa é não dados na tabela periódica. Essas duas maneiras incluem escrever um símbolo nuclear ou dar o nome do elemento com o número de massa escrito.

Escrever um símbolo nuclear, o número de massa é colocado na parte superior esquerda (sobrescrito) do símbolo químico e o número atômico é colocado na parte inferior esquerda (subscrito) do símbolo. O símbolo nuclear completo para o hélio-4 é desenhado abaixo:

Os seguintes símbolos nucleares são para um núcleo de níquel com 31 nêutrons e um núcleo de urânio com 146 nêutrons.

[ ce {^ {59} _ {28} Ni} ]

[ ce {^ {238} _ {92} U} ]

No núcleo de níquel representado acima, o número atômico 28 indica que o núcleo contém 28 prótons e, portanto, deve conter 31 nêutrons para ter um número de massa de 59. O núcleo de urânio tem 92 prótons, como todos os núcleos de urânio têm; e este núcleo de urânio em particular tem 146 nêutrons.

Outra forma de representar isótopos é adicionando um hífen e o número de massa ao nome ou símbolo químico. Assim, os dois núcleos seriam Níquel-59 ou Ni-59 e Urânio-238 ou U-238, onde 59 e 238 são os números de massa dos dois átomos, respectivamente. Observe que os números de massa (não o número de nêutrons) são dados ao lado do nome.

Exemplo ( PageIndex {2} ): Potássio-40

Quantos prótons, elétrons e nêutrons existem em um átomo de (^ {40} _ {19} ce {K} )?

Solução

[ text {número atômico} = esquerda ( text {número de prótons} direita) = 19 ]

Para todos os átomos sem carga, o número de elétrons é igual ao número de prótons.

[ text {número de elétrons} = 19 ]

O número de massa, 40, é a soma dos prótons e nêutrons.

Para encontrar o número de nêutrons, subtraia o número de prótons do número de massa.

[ text {número de nêutrons} = 40 - 19 = 21. ]

Exemplo ( PageIndex {3} ): Zinc-65

Quantos prótons, elétrons e nêutrons existem em um átomo de zinco-65?

Solução

[ text {número de prótons} = 30 ]

Para todos os átomos sem carga, o número de elétrons é igual ao número de prótons.

[ text {número de elétrons} = 30 ]

O número de massa, 65, é a soma dos prótons e nêutrons.

Para encontrar o número de nêutrons, subtraia o número de prótons do número de massa.

[ text {número de nêutrons} = 65 - 30 = 35 ]

Exercício ( PageIndex {3} )

Quantos prótons, elétrons e nêutrons existem em cada átomo?

  1. (^ {60} _ {27} ce {Co} )
  2. Na-24
  3. (^ {45} _ {20} ce {Ca} )
  4. Sr-90
Resposta a:
27 prótons, 27 elétrons, 33 nêutrons
Resposta b:
11 prótons, 11 elétrons, 13 nêutrons
Resposta c:
20 prótons, 20 elétrons, 25 nêutrons
Resposta d:
38 prótons, 38 elétrons, 52 nêutrons

Resumo

  • O número de prótons é sempre o mesmo em átomos do mesmo elemento.
  • O número de nêutrons pode ser diferente, mesmo em átomos do mesmo elemento.
  • Os átomos do mesmo elemento que contêm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons, são conhecidos como isótopos.
  • Os isótopos de qualquer elemento contêm o mesmo número de prótons, portanto, eles têm o mesmo número atômico (por exemplo, o número atômico do hélio é sempre 2).
  • Os isótopos de um determinado elemento contêm diferentes números de nêutrons, portanto, diferentes isótopos têm diferentes números de massa.

Contribuições e atribuições


4.9: Massa Atômica - A Massa Média dos Átomos de um Elemento

Em química, raramente lidamos com apenas um isótopo de um elemento. Usamos uma mistura dos isótopos de um elemento em reações químicas e outros aspectos da química, porque todos os isótopos de um elemento reagem da mesma maneira. Isso significa que raramente precisamos nos preocupar com a massa de um isótopo específico, mas, em vez disso, precisamos saber a massa média dos átomos de um elemento. Usando as massas dos diferentes isótopos e a abundância de cada isótopo, podemos encontrar a massa média dos átomos de um elemento. O massa atômica de um elemento é a massa média ponderada dos átomos em uma amostra natural do elemento. A massa atômica é normalmente relatada em unidades de massa atômica.


Se você somasse toda a energia necessária para cada peça, você derivaria o Energia de ligação gravitacional para o corpo: isso depende de duas quantidades: o Massa (M) e o Raio (R) do corpo.

A fórmula acima é uma "proporcionalidade", ela nos diz como a energia de ligação é dimensionada com a massa e o raio do objeto. A constante inicial de que precisamos depende dos detalhes de como a matéria é distribuída no objeto. Por exemplo, uma esfera de densidade uniforme teria uma constante de 3/5.

Para a Terra, a Energia de Ligação Gravitacional é cerca de 2x10 32 Joules, ou cerca de 12 dias da produção total de energia do Sol!


Águas superficiais e subterrâneas, intemperismo e solos

7.9.1.2.1 Princípios básicos

Isótopos são átomos do mesmo elemento que possuem diferentes números de nêutrons, mas o mesmo número de prótons e elétrons. A diferença no número de nêutrons entre os vários isótopos de um elemento significa que os vários isótopos têm massas diferentes. O número sobrescrito à esquerda da abreviação do elemento indica o número de prótons mais nêutrons no isótopo. Por exemplo, entre os isótopos de hidrogênio, o deutério (denotado como 2 H ou D) tem um nêutron e um próton. Isso é aproximadamente o dobro da massa do prótio (1 H), enquanto o trítio (3 H) tem aproximadamente três vezes a massa do prótio.

Os isótopos estáveis ​​têm núcleos que não decaem para outros isótopos em escalas de tempo geológicas, mas podem ser produzidos pela decadência de isótopos radioativos. Os isótopos radioativos (instáveis) têm núcleos que decaem espontaneamente com o tempo para formar outros isótopos. Por exemplo, 14 C, um radioisótopo de carbono, é produzido na atmosfera pela interação de nêutrons de raios cósmicos com 14 N. estáveis. Com meia-vida de cerca de 5730 anos, 14 C decai de volta a 14 N pela emissão de um partícula beta. O 14 N estável produzido por decaimento radioativo é chamado de nitrogênio "radiogênico". Este capítulo não se concentra apenas em isótopos estáveis, não radiogênicos, de vários elementos (hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio e enxofre), mas também inclui uma breve discussão dos radioisótopos desses elementos (3 H, 14 C, 35 S) que são hidrológicos importantes traçadores. Para uma discussão mais completa dos fundamentos da geoquímica de isótopos, consulte os capítulos em Clark e Fritz (1997) e o capítulo Kendall e Caldwell (1998) em Kendall e McDonnell (1998).


SEPARAÇÃO DE ISOTÓPIO POR MÉTODOS DE MULTISTAGA

Resumo do editor

Os isótopos de um elemento podem ser separados por processos de um ou vários estágios. Este capítulo descreve os métodos de múltiplos estágios para separação de isótopos. O método de estágio único importante é o método eletromagnético. O método eletromagnético permite que grandes enriquecimentos sejam alcançados em uma única etapa e é versátil, pois a mesma máquina pode ser utilizada para separar os isótopos de qualquer elemento. Os outros métodos de separação dependem do fato de que há pequenas diferenças nas propriedades das substâncias isotópicas, como resultado das quais pequenas separações de isótopos ocorrem em uma variedade de processos químicos e físicos simples, como destilação ou difusão. Os métodos de separação de múltiplos estágios importantes são eletrólise, destilação fracionada, métodos de troca química e difusão gasosa e térmica, embora muitos outros métodos tenham sido usados ​​para produzir a separação parcial de isótopos.


Prótons e nêutrons em titânio

Titânio é um elemento químico com número atômico 22 o que significa que há 22 prótons em seu núcleo. O número total de prótons no núcleo é chamado de número atômico do átomo e é dado o símbolo Z. A carga elétrica total do núcleo é, portanto, + Ze, onde e (carga elementar) é igual a 1.602 x 10 -19 coulombs.

O número total de nêutrons no núcleo de um átomo é chamado de número de nêutrons do átomo e é dado o símbolo N. O número de nêutrons mais o número atômico é igual ao número da massa atômica: N + Z = A. A diferença entre o número de nêutrons e o número atômico é conhecida como o excesso de nêutrons: D = N - Z = A - 2Z.

Para elementos estáveis, geralmente há uma variedade de isótopos estáveis. Isótopos são nuclídeos que têm o mesmo número atômico e, portanto, são o mesmo elemento, mas diferem no número de nêutrons. Números de massa de isótopos típicos de Titânio estão 46-50.

Principais Isótopos de Titânio

O titânio de ocorrência natural é composto por cinco isótopos estáveis: 46 Ti, 47 Ti, 48 Ti, 49 Ti e 50 Ti, com 48 Ti sendo o mais abundante (73,8% de abundância natural). Os isótopos de titânio variam em massa atômica de 38,01 u (38 Ti) a 62,99 u (63 Ti).

Titanium-46 é composto por 22 prótons, 24 nêutrons e 22 elétrons.

Titanium-47 é composto por 22 prótons, 25 nêutrons e 22 elétrons.

Titanium-48 é composto por 22 prótons, 26 nêutrons e 22 elétrons.

Titanium-49 é composto por 22 prótons, 27 nêutrons e 22 elétrons.

Titanium-50 é composto por 22 prótons, 28 nêutrons e 22 elétrons.

Titanium-44 é composto por 22 prótons, 22 nêutrons e 22 elétrons. O titânio-44 é produzido em abundância relativa no processo alfa da nucleossíntese estelar e nos estágios iniciais das explosões de supernova. A idade das supernovas pode ser determinada por meio de medições das emissões de raios gama do titânio-44 e sua abundância.

Isótopos Estáveis

Isótopo Abundância Número de nêutrons
46 Ti 8.25% 24
47 Ti 7.44% 25
48 Ti 73.72% 26
49 Ti 5.41% 27
50 Ti 5.18% 28

Isótopos Instáveis ​​Típicos

Isótopo Meia-vida Modo de Decaimento produtos
44 Ti 60,0 (11) y captura de elétrons 44 Sc
51 Ti 5,76 (1) min decadência beta 51 V

Encontre o número de elétrons

Para um átomo neutro, o número de elétrons é igual ao número de prótons.

Freqüentemente, o número de prótons e elétrons não é o mesmo, então o átomo carrega uma carga líquida positiva ou negativa. Você pode determinar o número de elétrons em um íon se souber sua carga. Um cátion carrega uma carga positiva e tem mais prótons do que elétrons. Um ânion carrega uma carga negativa e tem mais elétrons do que prótons. Os nêutrons não têm carga elétrica líquida, portanto o número de nêutrons não importa no cálculo. O número de prótons de um átomo não pode mudar por meio de nenhuma reação química, então você adiciona ou subtrai elétrons para obter a carga correta. Se um íon tem carga 2+, como Zn 2+, isso significa que há dois prótons a mais do que elétrons.

Se o íon tem uma carga 1 (simplesmente escrito com um sobrescrito negativo), então há mais elétrons do que o número de prótons. Para F -, o número de prótons (da tabela periódica) é 9 e o número de elétrons é:


4.8: Isótopos: Quando o número de nêutrons varia

(a) O núcleo de um átomo em particular tem um número de núcleos de 14 e um número de prótons de 6.

(i) Indique o que se entende por número de núcleon e número de próton.

O número do núcleo é a soma do número de prótons e nêutrons no núcleo (OU o número de massa do núcleo).

O número do próton é o número de prótons no núcleo (OU o número atômico do núcleo).

Ambos devem ser explicados corretamente para a marca. Nenhuma meia marca é concedida pelo conselho.

(ii) Calcule o número de nêutrons no núcleo deste átomo.

14 - 6 = 8

(iii) Calcule a carga específica do núcleo, em C kg -1.

Você precisa definir isso com cuidado - há três marcas, então eles querem que você mostre um raciocínio claro em seu trabalho!

Eles fornecem a unidade, então é fácil descobrir o que fazer - carga no núcleo (em coulombs) dividido pela massa do núcleo (em quilogramas)

Carga no núcleo:

Existem seis prótons - as únicas partículas carregadas e têm a mesma carga de um elétron.

carga = 6 x 1,60 x 10 -19

carga = 9,60 x 10 -19 C

Massa do núcleo:

Existem 8 nêutrons e 6 prótons:

Massa = 8 (1,675 x 10 -27) + 6 (1,673 x 10 -27)

Massa = 2,34 x 10 -26 kg (o outro fator é apenas para 3sf - isso é tudo o que é necessário)

Cobrança específica

= 9,60 x 10 -19 / 2,34 x 10 -26 C kg -1

= 4,10 x 10 7 C kg -1

(b) A carga específica do núcleo de outro isótopo do elemento é 4,8 × 10 7 C kg –1.

(i) Indique o que significa um isótopo.

Todas as variações dos núcleos de átomos do mesmo elemento são isótopos. Não existe uma versão "normal" de um elemento. embora possa haver um comum.

Há duas coisas que eles querem que você deixe claro:

- todos os isótopos de um elemento têm núcleos contendo o mesmo número de prótons que os outros e

- diferentes isótopos do mesmo elemento têm diferentes números de nêutrons uns dos outros

Portanto, eles geralmente oferecem duas marcas para a definição de um isótopo - portanto, aprenda!

Todos os núcleos de isótopos de um elemento contêm o mesmo número de prótons /> que os outros, mas diferentes números de nêutrons. /> Isso lhes dá as mesmas propriedades químicas, mas propriedades físicas diferentes.

(ii) Calcule o número de nêutrons neste isótopo.

Deixar

N = o número do núcleo e

a massa de um nucleon seja aproximada à média de 1,674 x 10 -27

4,8 x 10 7 = 6 x 1,60 x 10 -19 / (N x 1,67 x 10 -27)

N = 6 x 1,60 x 10-19 / (1,67 x 10 -27 x 4,8 x 10 7)

OU raciocinou de outra maneira.

Ambos têm o mesmo número de prótons, mas diferentes números de nêutrons.

então, carga específica A / carga específica B = mB/ mUMA

Como a massa do nêutron e do próton são praticamente iguais.

mB /mUMA = número do núcleo de B / número do núcleo de A

mB /mUMA = 0.854

então, o número do núcleo de B = 0,854 x 14 = 12

Portanto, o número do núcleo de A = 12

E o número de nêutrons = 12 - 6 = 6

(Total de 10 pontos)

Me siga.

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Átomos - princípios básicos que observamos hoje

Cada elemento químico, como carbono e oxigênio, consiste em átomos. Cada átomo é pensado para ser feito de três partes básicas.

O núcleo contém prótons (partículas minúsculas, cada uma com uma única carga elétrica positiva) e nêutrons (partículas sem carga elétrica). Orbitando ao redor do núcleo estão elétrons (partículas minúsculas, cada uma com uma única carga elétrica negativa).

Os átomos de cada elemento podem variar ligeiramente no número de nêutrons dentro de seus núcleos. Essas variações são chamadas de isótopos desse elemento. Embora o número de nêutrons varie, cada átomo de qualquer elemento sempre tem o mesmo número de prótons e elétrons.

Assim, por exemplo, cada átomo de carbono contém seis prótons e seis elétrons, mas o número de nêutrons em cada núcleo pode ser seis, sete ou até oito. Portanto, o carbono tem três isótopos (variações), que são especificados carbono-12, carbono-13 e carbono-14 (Figura 1).


Isótopos

A história do átomo está repleta de algumas dessas diferenças. Embora John Dalton afirmasse em sua teoria atômica de 1804 que todos os átomos de um elemento são idênticos, a descoberta do nêutron começou a mostrar que essa suposição não era correta. O estudo de materiais radioativos (elementos que desprendem partículas espontaneamente para formar novos elementos) por Frederick Soddy (1877–1956) deu pistas importantes sobre a estrutura interna dos átomos. Seu trabalho mostrou que algumas substâncias com diferentes propriedades radioativas e diferentes pesos atômicos eram na verdade o mesmo elemento. Ele cunhou o termo isótopo das raízes gregas isos (íσος “igual”) e topos (τóπος “lugar”). Ele descreveu os isótopos como, "Coloquialmente, seus átomos têm exteriores idênticos, mas interiores diferentes." Soddy ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1921 por seu trabalho.

Como afirmado anteriormente, nem todos os átomos de um determinado elemento são idênticos. Especificamente, o número de nêutrons pode ser variável para muitos elementos. Como exemplo, o carbono que ocorre naturalmente existe em três formas. Cada átomo de carbono tem o mesmo número de prótons (6), que é seu número atômico. Cada átomo de carbono também contém seis elétrons para manter a neutralidade elétrica. No entanto, o número de nêutrons varia como seis, sete ou oito. Isótopos são átomos que possuem o mesmo número de número atômico, mas diferentes números de massa devido a uma mudança no número de nêutrons.

Os três isótopos de carbono podem ser referidos como carbono-12 [latex] left (^ <12> _6 text right) [/ latex], carbono-13 [latex] left (^ <13> _6 text right) [/ latex] e carbono-14 [latex] left (^ <14> _6 text right) [/ latex]. A maioria dos elementos consiste naturalmente em misturas de isótopos. O carbono tem três isótopos naturais, enquanto alguns elementos mais pesados ​​podem ter muitos mais. O estanho tem dez isótopos estáveis, o máximo de qualquer elemento. O termo nuclídeo refere-se ao núcleo de um determinado isótopo de um elemento. Um átomo de carbono é um dos três diferentes nuclídeos.

Embora a presença de isótopos afete a massa de um átomo, ela não afeta sua reatividade química. O comportamento químico é governado pelo número de elétrons e prótons. O carbono-13 se comporta quimicamente exatamente da mesma maneira que o carbono-12 mais abundante.