Номер 1, страница 80 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (и, следовательно, одинаковый заряд ядра и порядковый номер), но разное число нейтронов. Из-за разного числа нейтронов изотопы имеют разную относительную атомную массу. Химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, которое, в свою очередь, зависит от заряда ядра (числа протонов). Поскольку у изотопов число протонов и электронов одинаково, их химические свойства очень близки. Однако различие в массе атомов (изотопный эффект) приводит к заметным различиям в физических свойствах образованных ими веществ, а также в скоростях химических реакций.

Пример 1: Изотопы водорода ($H$)

Водород имеет три основных изотопа, различие в массах которых наиболее существенно по сравнению с другими элементами: протий ($^1\text{H}$), ядро которого состоит из одного протона (относительная атомная масса ≈ 1); дейтерий ($^2\text{H}$ или $D$), ядро которого содержит один протон и один нейтрон (относительная атомная масса ≈ 2); и тритий ($^3\text{H}$ или $T$), ядро которого состоит из одного протона и двух нейтронов (относительная атомная масса ≈ 3, радиоактивен). Масса дейтерия вдвое, а трития — втрое больше массы протия.

Это различие в массе сильно влияет на свойства воды. Обычная вода, образованная протием, имеет формулу $H_2O$, а тяжелая вода, образованная дейтерием, — $D_2O$.

Их физические свойства различны:

1. Плотность: Тяжелая вода ($D_2O$) примерно на 11% плотнее обычной воды ($H_2O$). При $20^\circ\text{C}$ плотность $D_2O$ составляет $1,1056 \text{ г/см}^3$, а $H_2O$ — $0,9982 \text{ г/см}^3$.

2. Температуры фазовых переходов: Тяжелая вода замерзает при $+3,82^\circ\text{C}$ и кипит при $101,4^\circ\text{C}$ (при нормальном давлении), в то время как обычная вода — при $0^\circ\text{C}$ и $100^\circ\text{C}$ соответственно.

3. Биологическое действие: В высоких концентрациях тяжелая вода токсична для большинства живых организмов, так как из-за большей массы дейтерия химические реакции в клетках, связанные с разрывом связей с водородом, замедляются (кинетический изотопный эффект).

Пример 2: Изотопы урана ($U$)

Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($^{238}_{92}\text{U}$, содержание > 99%) и урана-235 ($^{235}_{92}\text{U}$, содержание ~0.7%). Оба изотопа имеют по 92 протона, но разное количество нейтронов (146 и 143 соответственно).

Их химические свойства практически идентичны, но ядерные свойства кардинально различаются.

1. Ядерные свойства: Изотоп $^{235}\text{U}$ является делящимся материалом — он способен к цепной реакции деления под действием тепловых нейтронов. Это свойство используется в ядерных реакторах для выработки энергии и в ядерном оружии. Изотоп $^{238}\text{U}$ не способен к цепной реакции на тепловых нейтронах, но может захватывать нейтрон, превращаясь в плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$), который также является ядерным топливом.

2. Разделение изотопов: Небольшая разница в массе (около 1.3%) используется для их разделения (обогащения урана). В газообразном соединении гексафторида урана ($UF_6$) более легкие молекулы $^{235}UF_6$ движутся немного быстрее, чем тяжелые $^{238}UF_6$. Это позволяет разделять их методами газовой диффузии или центрифугирования.

Пример 3: Изотопы углерода ($C$)

Углерод имеет два стабильных изотопа, $^{12}\text{C}$ и $^{13}\text{C}$, и один радиоактивный, $^{14}\text{C}$.

1. Радиоуглеродный анализ: Различие в ядерных свойствах (стабильность) позволяет использовать $^{14}\text{C}$ для датировки органических останков. Живые организмы поглощают углерод из окружающей среды, и соотношение $^{14}\text{C}/^{12}\text{C}$ в них такое же, как в атмосфере. После смерти обмен прекращается, и $^{14}\text{C}$ начинает распадаться с периодом полураспада около 5730 лет. Измеряя оставшееся количество $^{14}\text{C}$, можно определить возраст образца. Здесь используется физическое свойство — радиоактивность, напрямую связанное со строением ядра.

2. Кинетический изотопный эффект: При фотосинтезе растения незначительно легче усваивают более легкий изотоп $^{12}\text{C}$ по сравнению с $^{13}\text{C}$. Это приводит к тому, что биомасса растений и животных, которые их едят, слегка "обеднена" тяжелым изотопом $^{13}\text{C}$ по сравнению с неорганическим углеродом в атмосфере. Это различие в скорости реакции, зависящее от массы, используется в геохимии и экологии.

Таким образом, относительная атомная масса, различная у изотопов, в первую очередь влияет на физические свойства веществ (плотность, температура кипения и плавления, скорость диффузии) и на их ядерные свойства (стабильность, способность к делению). Химические свойства остаются практически неизменными, однако разница в массе может сказываться на скорости химических реакций, что наиболее заметно для легких элементов.

Ответ: Различие в относительной атомной массе у изотопов одного элемента влияет прежде всего на физические свойства образованных ими веществ (например, плотность и температуры фазовых переходов тяжелой воды $D_2O$ выше, чем у обычной $H_2O$) и на их ядерные свойства (например, $^{235}\text{U}$ способен к цепной реакции деления, в отличие от $^{238}\text{U}$, а $^{14}\text{C}$ радиоактивен, в отличие от $^{12}\text{C}$). Это различие в массе также может приводить к разной скорости протекания химических реакций (кинетический изотопный эффект), что особенно выражено у изотопов легких элементов, таких как водород.