Номер 7, страница 9, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

7. а) Постройте график зависимости порядкового номера (ось х) от числа нейтронов (ось у) для первых 15 элементов.

б) Каким является примерное соотношение между числом протонов и нейтронов для данных элементов?

в) Подсчитайте соотношение между числом нейтронов и протонов для следующих элементов: урана ${}^{238}_{92}U$ и свинца ${}^{207}_{82}Pb$. Попробуйте объяснить, почему атомы данных элементов являются радиоактивными?

а) Для построения графика зависимости порядкового номера (Z, число протонов) от числа нейтронов (N) для первых 15 элементов, сначала составим таблицу с необходимыми данными. Мы будем использовать наиболее распространенные или стабильные изотопы для каждого элемента. Порядковый номер Z откладывается по оси x, а число нейтронов N - по оси y.

Таблица данных для первых 15 элементов:

1. Водород (H): Z=1, Изотоп ¹H, A=1, N = A - Z = 1 - 1 = 0. Точка (1, 0)

2. Гелий (He): Z=2, Изотоп ⁴He, A=4, N = 4 - 2 = 2. Точка (2, 2)

3. Литий (Li): Z=3, Изотоп ⁷Li, A=7, N = 7 - 3 = 4. Точка (3, 4)

4. Бериллий (Be): Z=4, Изотоп ⁹Be, A=9, N = 9 - 4 = 5. Точка (4, 5)

5. Бор (B): Z=5, Изотоп ¹¹B, A=11, N = 11 - 5 = 6. Точка (5, 6)

6. Углерод (C): Z=6, Изотоп ¹²C, A=12, N = 12 - 6 = 6. Точка (6, 6)

7. Азот (N): Z=7, Изотоп ¹⁴N, A=14, N = 14 - 7 = 7. Точка (7, 7)

8. Кислород (O): Z=8, Изотоп ¹⁶O, A=16, N = 16 - 8 = 8. Точка (8, 8)

9. Фтор (F): Z=9, Изотоп ¹⁹F, A=19, N = 19 - 9 = 10. Точка (9, 10)

10. Неон (Ne): Z=10, Изотоп ²⁰Ne, A=20, N = 20 - 10 = 10. Точка (10, 10)

11. Натрий (Na): Z=11, Изотоп ²³Na, A=23, N = 23 - 11 = 12. Точка (11, 12)

12. Магний (Mg): Z=12, Изотоп ²⁴Mg, A=24, N = 24 - 12 = 12. Точка (12, 12)

13. Алюминий (Al): Z=13, Изотоп ²⁷Al, A=27, N = 27 - 13 = 14. Точка (13, 14)

14. Кремний (Si): Z=14, Изотоп ²⁸Si, A=28, N = 28 - 14 = 14. Точка (14, 14)

15. Фосфор (P): Z=15, Изотоп ³¹P, A=31, N = 31 - 15 = 16. Точка (15, 16)

На графике точки будут располагаться вблизи прямой линии $N=Z$ (или $y=x$ в координатах графика). С ростом порядкового номера Z, число нейтронов N также растет. Точки лежат на или немного выше линии $N=Z$, что показывает, что число нейтронов примерно равно или немного превышает число протонов.

Ответ: График представляет собой набор точек, которые лежат близко к прямой, проходящей через начало координат под углом 45 градусов (линия $N=Z$). С ростом порядкового номера точки незначительно отклоняются вверх от этой прямой.

б) Для легких элементов, как видно из данных в пункте (а), число протонов (Z) и число нейтронов (N) примерно равны. Например, для углерода-12 $Z=6, N=6$; для кислорода-16 $Z=8, N=8$; для неона-20 $Z=10, N=10$. В некоторых случаях число нейтронов немного превышает число протонов (например, у фтора-19: $Z=9, N=10$), но соотношение остается близким к 1.

Ответ: Примерное соотношение между числом протонов и нейтронов для первых 15 элементов близко к 1:1.

в) Дано:

Атом урана-238 ($^{238}_{92}U$)

Атом свинца-207 ($^{207}_{82}Pb$)

Найти:

Соотношение числа нейтронов к числу протонов ($N/Z$) для данных элементов; объяснение их радиоактивности.

Решение:

1. Расчет соотношения $N/Z$ для урана-238 ($^{238}_{92}U$):

Число протонов $Z = 92$.

Массовое число $A = 238$.

Число нейтронов $N = A - Z = 238 - 92 = 146$.

Соотношение: $\frac{N}{Z} = \frac{146}{92} \approx 1.587$.

2. Расчет соотношения $N/Z$ для свинца-207 ($^{207}_{82}Pb$):

Число протонов $Z = 82$.

Массовое число $A = 207$.

Число нейтронов $N = A - Z = 207 - 82 = 125$.

Соотношение: $\frac{N}{Z} = \frac{125}{82} \approx 1.524$.

3. Объяснение радиоактивности:

В атомном ядре действуют два основных типа сил:

- Сильное ядерное взаимодействие, которое притягивает все нуклоны (протоны и нейтроны) друг к другу. Это очень мощная, но короткодействующая сила.

- Электростатическое (кулоновское) отталкивание между одноименно заряженными протонами. Это дальнодействующая сила.

Нейтроны, не имея заряда, не участвуют в электростатическом отталкивании, но участвуют в сильном взаимодействии. Они играют роль "клея", помогая удерживать протоны вместе и обеспечивая стабильность ядра.

Для легких ядер (как в пункте б) стабильность достигается при соотношении $N/Z \approx 1$. Однако с ростом числа протонов $\text{Z}$ суммарная сила их взаимного отталкивания растет очень быстро. Чтобы скомпенсировать это отталкивание, требуется все больше "клея" - нейтронов. Поэтому для тяжелых ядер соотношение $N/Z$ для стабильных изотопов становится значительно больше единицы, что мы и видим на примере урана и свинца (около 1.5).

Однако, начиная с определенного размера ядра, даже избыток нейтронов не может обеспечить полную стабильность. Сильное взаимодействие является короткодействующим, и каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими соседями. В то же время дальнодействующее электростатическое отталкивание действует между всеми протонами в ядре. В очень больших ядрах (с $Z > 82$) сила отталкивания протонов становится настолько велика, что начинает преобладать над удерживающими ядерными силами. Это делает ядро нестабильным. Такое ядро стремится перейти в более стабильное состояние, испуская частицы (например, альфа- или бета-частицы), то есть проявляя радиоактивность.

Таким образом, уран-238 радиоактивен, так как его ядро ($Z=92$) очень велико и перегружено протонами, и силы отталкивания в нем приводят к нестабильности.

Примечание: Важно отметить, что хотя вопрос подразумевает радиоактивность свинца-207, на самом деле $^{207}Pb$ является стабильным изотопом. Свинец ($Z=82$) — это самый тяжелый элемент, имеющий стабильные изотопы. Все элементы с $Z > 82$ (как уран) являются радиоактивными.

Ответ: Соотношение нейтронов к протонам для $^{238}_{92}U$ составляет примерно 1.587, а для $^{207}_{82}Pb$ — примерно 1.524. Атомы тяжелых элементов, таких как уран, радиоактивны из-за того, что в их больших ядрах силы электростатического отталкивания между многочисленными протонами становятся настолько велики, что короткодействующие ядерные силы притяжения, даже при значительном избытке нейтронов, не могут обеспечить полную стабильность ядра.