Đồng vị là gì, và vì sao chúng quan trọng?

Cùng proton, khác nơtron

Mỗi nguyên tử cacbon có 6 proton. Chính điều đó làm nên cacbon. Nhưng không phải nguyên tử cacbon nào cũng có cùng số nơtron. Hầu hết có 6, cứ khoảng một trăm nguyên tử thì có một nguyên tử có 7, và một số rất nhỏ có 8.

Những phiên bản khác nhau này được gọi là đồng vị. Từ này bắt nguồn từ các từ Hy Lạp nghĩa là “cùng vị trí”, vì mọi đồng vị của một nguyên tố đều dùng chung một ô trong bảng tuần hoàn.

Nơtron không mang điện, nên thêm hay bớt chúng không làm thay đổi số electron. Hóa học phụ thuộc vào electron, nên các đồng vị của một nguyên tố hành xử gần như giống nhau trong phản ứng. Khác biệt chính giữa chúng là khối lượng.

Đồng vị được gọi tên như thế nào

Một đồng vị được gọi theo tên nguyên tố cộng với số khối, tức tổng số proton và nơtron. Cacbon-12 có 6 proton và 6 nơtron. Cacbon-13 có 6 proton và 7 nơtron. Cacbon-14 có 6 proton và 8 nơtron.

Các nhà khoa học cũng viết số khối ở phía trên bên trái kí hiệu, như ¹²C và ¹⁴C. Để tìm số nơtron, lấy số khối trừ số hiệu nguyên tử: 14 − 6 = 8 với cacbon-14.

Các đồng vị của hiđro đặc biệt vì chúng có tên riêng. Hiđro thông thường (hiđro-1) không có nơtron, đơteri (hiđro-2) có một nơtron và triti (hiđro-3) có hai.

Vì sao khối lượng nguyên tử là số thập phân

Hầu hết các nguyên tố trong tự nhiên là hỗn hợp các đồng vị. Khối lượng nguyên tử trong bảng tuần hoàn là khối lượng trung bình của tất cả các nguyên tử đó, tính theo mức độ phổ biến của từng đồng vị.

Clo là một ví dụ rõ ràng. Cứ bốn nguyên tử clo thì khoảng ba nguyên tử là clo-35, và khoảng một nguyên tử là clo-37. Giá trị trung bình nằm giữa hai số nhưng gần 35 hơn: 35,45, con số trong ô của clo.

Cacbon cũng tương tự. Khoảng 98,9% nguyên tử cacbon là cacbon-12 và khoảng 1,1% là cacbon-13, nên khối lượng nguyên tử của cacbon là 12,011, chỉ hơn 12 một chút.

17ClClo35,45

Đồng vị bền và đồng vị phóng xạ

Nhiều đồng vị là bền, nghĩa là chúng không bao giờ tự thay đổi. Số khác là phóng xạ. Hạt nhân của chúng không bền, nên sớm muộn sẽ vỡ ra và phát ra bức xạ. Đây gọi là phân rã phóng xạ, và nó thường biến nguyên tử thành một nguyên tố khác.

Cacbon-14 có tính phóng xạ. Khi phân rã, một nơtron của nó biến thành proton, và nguyên tử trở thành nitơ-14. Thời gian để một nửa mẫu phân rã gọi là chu kì bán rã. Với cacbon-14, chu kì bán rã khoảng 5.730 năm.

Một số nguyên tố hoàn toàn không có đồng vị bền. Tecneti (43), prometi (61) và mọi nguyên tố nặng hơn chì (82) đều có tính phóng xạ.

Đồng vị được dùng như thế nào

Thực vật hấp thụ một lượng nhỏ cacbon-14 từ không khí, và động vật hấp thụ nó khi ăn thực vật. Khi một sinh vật chết đi, nó ngừng hấp thụ cacbon, và cacbon-14 trong cơ thể dần phân rã. Bằng cách đo lượng còn lại, các nhà khoa học có thể xác định tuổi của xương, gỗ và vải cổ tới khoảng 50.000 năm. Phương pháp này gọi là xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ.

Các bác sĩ cũng dùng đồng vị phóng xạ. Tecneti-99m giúp tạo ảnh xương và các cơ quan, còn iot-131 điều trị một số bệnh tuyến giáp. Urani-235, chỉ chiếm khoảng 0,7% urani tự nhiên, là nhiên liệu của hầu hết các nhà máy điện hạt nhân.