Czym są izotopy i dlaczego są ważne?

Te same protony, różne neutrony

Każdy atom węgla ma 6 protonów. To właśnie czyni go węglem. Ale nie wszystkie atomy węgla mają tę samą liczbę neutronów. Większość ma ich 6, mniej więcej co setny ma 7, a bardzo niewielka liczba ma 8.

Te różne odmiany nazywamy izotopami. Słowo pochodzi od greckich słów oznaczających „to samo miejsce”, ponieważ wszystkie izotopy pierwiastka zajmują jedno pole w układzie okresowym.

Neutrony nie mają ładunku, więc ich dodanie lub odjęcie nie zmienia liczby elektronów. Chemia zależy od elektronów, więc izotopy danego pierwiastka zachowują się w reakcjach niemal tak samo. Główna różnica między nimi to masa.

Jak nazywa się izotopy

Izotop nazywa się od nazwy pierwiastka i jego liczby masowej, czyli sumy protonów i neutronów. Węgiel-12 ma 6 protonów i 6 neutronów. Węgiel-13 ma 6 protonów i 7 neutronów. Węgiel-14 ma 6 protonów i 8 neutronów.

Naukowcy zapisują też liczbę masową w lewym górnym rogu symbolu, jak w ¹²C i ¹⁴C. Aby znaleźć liczbę neutronów, odejmij liczbę atomową od liczby masowej: 14 − 6 = 8 dla węgla-14.

Izotopy wodoru są wyjątkowe, bo mają własne nazwy. Zwykły wodór (wodór-1) nie ma neutronów, deuter (wodór-2) ma jeden, a tryt (wodór-3) ma dwa.

Dlaczego masy atomowe są liczbami dziesiętnymi

Większość pierwiastków występujących w przyrodzie jest mieszaniną izotopów. Masa atomowa w układzie okresowym to średnia masa wszystkich tych atomów, ważona tym, jak powszechny jest każdy izotop.

Wyraźnym przykładem jest chlor. Mniej więcej trzy na cztery atomy chloru to chlor-35, a około jeden na cztery to chlor-37. Średnia wypada między nimi, ale bliżej 35: 35,45, czyli liczba w polu chloru.

Z węglem jest tak samo. Około 98,9% atomów węgla to węgiel-12, a około 1,1% to węgiel-13, więc masa atomowa węgla wynosi 12,011, czyli tuż powyżej 12.

17ClChlor35,45

Izotopy trwałe i promieniotwórcze

Wiele izotopów jest trwałych, co oznacza, że nigdy nie zmieniają się samoistnie. Inne są promieniotwórcze. Ich jądra są nietrwałe, więc prędzej czy później się rozpadają i wysyłają promieniowanie. Nazywa się to rozpadem promieniotwórczym i często zamienia atom w inny pierwiastek.

Węgiel-14 jest promieniotwórczy. Gdy się rozpada, jeden z jego neutronów zamienia się w proton, a atom staje się azotem-14. Czas, w którym rozpada się połowa próbki, nazywa się okresem półtrwania. Dla węgla-14 okres półtrwania wynosi około 5 730 lat.

Niektóre pierwiastki nie mają żadnych trwałych izotopów. Technet (43), promet (61) i każdy pierwiastek cięższy od ołowiu (82) są promieniotwórcze.

Jak wykorzystuje się izotopy

Rośliny pobierają z powietrza odrobinę węgla-14, a zwierzęta przyjmują go, zjadając rośliny. Gdy organizm umiera, przestaje pobierać węgiel, a jego węgiel-14 powoli się rozpada. Mierząc, ile go zostało, naukowcy mogą datować kości, drewno i tkaniny sprzed nawet około 50 000 lat. Nazywa się to datowaniem radiowęglowym.

Lekarze też korzystają z izotopów promieniotwórczych. Technet-99m pomaga tworzyć obrazy kości i narządów, a jod-131 leczy niektóre choroby tarczycy. Uran-235, który stanowi tylko około 0,7% naturalnego uranu, jest paliwem w większości elektrowni jądrowych.