Номер 9, страница 23 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

9. Что такое изотопы? Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?

Что такое изотопы?

Изотопы (от греческих слов изос – «одинаковый» и топос – «место») — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый заряд атомного ядра (то есть одинаковое число протонов), но разную массу. Иными словами, изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе химических элементов.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов ($Z$) определяет химический элемент и его порядковый номер в таблице Менделеева. Число нейтронов ($N$) может варьироваться. Сумма протонов и нейтронов называется массовым числом ($A = Z + N$). Таким образом, у изотопов одного элемента одинаковое число протонов ($Z$), но разное число нейтронов ($N$) и, как следствие, разное массовое число ($A$).

Поскольку химические свойства элемента определяются строением его электронной оболочки, а число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов, изотопы одного элемента имеют практически идентичные химические свойства. Однако их физические свойства, зависящие от массы ядра (например, плотность, скорость диффузии, радиоактивность), могут существенно различаться.

Например, у водорода существует три основных изотопа:

• Протий ($^{1}_{1}H$) — ядро состоит из одного протона.
• Дейтерий ($^{2}_{1}H$) — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.
• Тритий ($^{3}_{1}H$) — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Ответ: Изотопы — это атомы одного химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре, но различающиеся числом нейтронов, и, следовательно, обладающие разной атомной массой.

Как открытие изотопов способствовало становлению Периодического закона?

Первоначальная формулировка Периодического закона, предложенная Д. И. Менделеевым в 1869 году, гласила, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от их атомных весов (атомных масс). Эта закономерность в целом работала, но имела несколько явных противоречий. В некоторых парах элементов, чтобы сохранить логику химических свойств, Менделееву приходилось нарушать принцип возрастания атомной массы. Например:

• Аргон ($Ar$, атомная масса $\approx 39.95$) был помещён перед калием ($K$, атомная масса $\approx 39.10$).
• Теллур ($Te$, атомная масса $\approx 127.60$) был помещён перед йодом ($I$, атомная масса $\approx 126.90$).

Менделеев предположил, что атомные массы этих элементов были измерены неверно, но он был уверен в правильности их расположения по химическим свойствам.

Открытие изотопов в начале XX века (Фредерик Содди, 1913 г.) и установление физического смысла порядкового номера элемента (Генри Мозли, 1913 г.) полностью разрешили эти противоречия.

1. Уточнение понятия атомной массы. Было установлено, что атомная масса, указанная в Периодической таблице, является средневзвешенным значением масс всех природных изотопов данного элемента с учётом их распространенности. Аномалия в паре аргон-калий объяснилась тем, что в природе преобладает тяжёлый изотоп аргона $^{40}Ar$ (99.6%), в то время как калий в основном состоит из более лёгкого изотопа $^{39}K$ (93.3%). Из-за этого средняя атомная масса аргона оказалась больше, чем у калия.

2. Установление фундаментальной основы закона. Работы Генри Мозли показали, что основной характеристикой атома, определяющей его свойства, является не атомная масса, а заряд ядра, то есть число протонов ($Z$), которое и является порядковым номером элемента. Расположение элементов в порядке возрастания заряда ядра (атомного номера) полностью устранило все существовавшие аномалии.

Таким образом, открытие изотопов объяснило, почему атомная масса не является главной характеристикой элемента, и помогло сформулировать современный Периодический закон: свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда их атомных ядер. Это открытие превратило эмпирическое наблюдение Менделеева в фундаментальный закон природы, основанный на строении атома.

Ответ: Открытие изотопов показало, что фундаментальной характеристикой элемента является не его атомная масса (которая является средним значением масс изотопов), а заряд ядра (число протонов). Это позволило разрешить противоречия в таблице Менделеева (например, аномальное расположение аргона и калия) и привело к современной формулировке Периодического закона, в основе которого лежит порядковый номер элемента, а не его атомная масса.