درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی با پاسخ فصل اول: آیا همهی اتمهای یک عنصر پایدارند؟
آیا همۀ اتمهای یک عنصر پایدارند؟
بررسیها نشان میدهد که اغلب در یک نمونۀ طبیعی از عنصری معین، اتمهای سازنده، جرم یکسانی ندارند. برای مثال بررسی یک نمونه منیزیم نشان میدهد که همۀ اتمهای منیزیم در این نمونه یکسان نیست، بلکه مخلوطی از سه هم مکان (ایزوتوپ) هستند (شکل 3).

خود را بیازمایید (صفحهٔ 5 کتاب درسی)
1- در علوم سال هشتم آموختید که هر عنصر را با نماد ویژهای نشان میدهند. در این نماد، تعداد ذرههای زیر اتمی را نیز میتوان مشخص کرد. هرگاه بدانید که اتمی از آهن 26 پروتون و 30 نوترون دارد، با توجه به الگوی زیر مشخص کنید که Z و A هر کدام، چه کمیتی را نشان میدهد؟
Z: عدد اتمی، نشانگر تعداد پروتونهای (p) یک اتم است.
A: عدد جرمی، نشانگر مجموع تعداد پروتون و نوترونهای (p+n) یک ماده است.
2- با توجه به نماد ایزوتوپهای منیزیم (شکل 3) جدول زیر را کامل کنید.
ویژگی / نماد ایزوتوپ | A | Z | تعداد الکترون | تعداد نوترون | |
2412Mg | 24 | 12 | 12 | 12 | |
2512Mg | 25 | 12 | 12 | 13 | |
2612Mg | 26 | 12 | 12 | 14 |
ایزوتوپهای یک عنصر دارای Z یکسان اما A متفاوت هستند. خواص شیمیایی اتمهای هر عنصر به عدد اتمی (Z) آن وابسته است؛ از این رو اتمهای منیزیم همگی خواص شیمیایی یکسانی دارند و در جدول دورهای عنصرها تنها یک مکان را اشغال میکنند؛ این در حالی است که همین ایزوتوپها در خواص فیزیکی وابسته به جرم، مانند چگالی با یکدیگر تفاوت دارند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 6 کتاب درسی)
1- دادههای جدول زیر را به دقت بررسی کنید؛ سپس به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
17H | 16H | 15H | 14H | 13H | 12H | 11H | نماد ایزوتوپ / ویژگی ایزوتوپ |
2/3×10−23 ثانیه | 2/9×10−22 ثانیه | 9/1×10−22 ثانیه | 1/4×10−22 ثانیه | 12/32 سال | پایدار | پایدار | نیم عمر |
0 (ساختگی) | 0 (ساختگی) | 0 (ساختگی) | 0 (ساختگی) | ناچیز | 0/0114 | 99/9885 | درصد فراوانی در طبیعت |
آ) چه شباهتها و چه تفاوتهایی میان این ایزوتوپها وجود دارد؟
عدد اتمی یکسان ولی عدد جرمی متفاوتی دارند. خواص شیمیایی یکسان ولی خواص فیزیکی متفاوتی دارند.
ب) یک نمونۀ طبیعی از عنصر هیدروژن، مخلوطی از چند ایزوتوپ است؟
ایزوتوپهایی که فراوانی آنها در طبیعت بیشتر از صفر است. چون سه ایزوتوپ در طبیعت یافت میشود، بنابراین مخلوطی از 3 ایزوتوپ است.
پ) نیم عمر هر ایزوتوپ نشان میدهد که آن ایزوتوپ تا چه اندازه پایدار است. کدام ایزوتوپ هیدروژن از همه ناپایدارتر است؟
در بین ایزوتوپهای طبیعی 31Mg از همه ناپایدارتر است و در ایزوتوپهای ساختگی که همگی ناپایدارند، 71Mg ناپایدارتر است.
ت) هستۀ ایزوتوپهای ناپایدار، ماندگار نیست و با گذشت زمان متلاشی میشود. این ایزوتوپها پرتوزا هستند و اغلب بر اثر تلاشی افزون بر ذرههای پرانرژی، مقدار زیادی انرژی نیز آزاد میکنند. انتظار دارید چند ایزوتوپ هیدروژن پرتوزا باشد؟
در بین ایزوتوپهای طبیعی 31Mg و در بین ایزوتوپهای ساختگی همگی پرتوزا هستند، بنابراین 5 ایزوتوپ هیدروژن پرتوزا هستند.
ث) اغلب هستههایی که نسبت شمار نوترونها به پروتونهای آنها برابر یا بیش از 1/5 باشد، ناپایدارند و با گذشت زمان متلاشی میشوند. چند ایزوتوپ هیدروژن دارای این ویژگی است؟
همه ایزوتوپهایی که عدد جرمی آنها بزرگتر یا مساوی 3 است. (5 ایزوتوپ)
ج) اگر ایزوتوپ های پرتوزا و ناپایدار، رادیوایزوتوپ نامیده شود، چه تعداد از ایزوتوپهای هیدروژن، رادیوایزوتوپ به شمار میرود؟
همه ایزوتوپهایی که عدد جرمی آنها بزرگتر یا مساوی 3 است. (5 ایزوتوپ)
چ) درصد فراوانی هر ایزوتوپ در طبیعت نشان دهندۀ چیست؟ توضیح دهید.
پایداری آن ایزوتوپ، هر چه درصد فراوانی بیشتر باشد، پایدارتر است.
2- شکل زیر شمار تقریبی اتمهای لیتیم را در یک نمونه طبیعی از آن نشان میدهد. با توجه به آن، درصد فراوانی هر یک از ایزوتوپهای لیتیم را حساب کنید.
73Li=4750×100=94 درصد فراوانی
73Li=350×100=6 درصد فراوانی
تکنسیم، نخستین عنصر ساخت بشر
از 118 عنصر شناخته شده، تنها 92 عنصر در طبیعت یافت میشود؛ این بدان معنا است که 26 عنصر دیگر ساختگی است. شیمیدانها همواره با یافتن کاربردهای منحصر به فرد هر عنصر، انگیزۀ کافی برای ساختن عنصرهای جدید را داشته اند. تکنسیم (9943Tc) نخستین عنصری بود که در واکنشگاه (راکتور) هستهای ساخته شد. این رادیوایزوتوپ در تصویر برداری پزشکی کاربرد ویژهای دارد (شکل 4).

همۀ 99Tc موجود در جهان باید به طور مصنوعی و با استفاده از واکنشهای هستهای ساخته شود. از آنجا که نیم عمر آن کم است و نمیتوان مقادیر زیادی از این عنصر را تهیه و برای مدت طولانی نگهداری کرد، بسته به نیاز، آن را با یک مولد هستهای تولید و سپس مصرف میکنند.
ما میتوانیم
رادیو ایزوتوپها اگرچه بسیار خطرناک هستند، اما پیشرفت دانش و فناوری، بشر را موفق به مهار و بهره گیری از آنها کرده است، به طوری که از آنها در پزشکی، کشاورزی و سوخت در نیروگاههای اتمی استفاده میشود. اورانیم شناخته شدهترین فلز پرتوزایی است که یکی از ایزوتوپهای آن، اغلب به عنوان سوخت در راکتورهای اتمی به کار میرود (شکل 5).

این ایزوتوپ، 235U بوده که فراوانی آن در مخلوط طبیعی از 0/7 درصد کمتر است. دانشمندان هستهای ایران با تلاش بسیار موفق شدند مقدار آن را در مخلوط ایزوتوپهای این عنصر افزایش دهند. به این فرایند، غنی سازی ایزوتوپی گفته میشود. فرایندی که یکی از مراحل مهم چرخۀ تولید سوخت هستهای است. با این کامیابی ستودنی، نام ایران در فهرست ده گانۀ کشورهای هستهای جهان ثبت شد. با گسترش این صنعت میتوان بخشی از انرژی الکتریکی مورد نیاز کشور را تأمین نمود (شکل 6).

پسماند راکتورهای اتمی هنوز خاصیت پرتوزایی دارد و خطرناک است؛ از این رو دفع آنها از جمله چالشهای صنایع هستهای به شمار میآید.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 9 کتاب درسی)
تودههای سرطانی، یاختههایی هستندکه رشد غیرعادی و سریع دارند. شکل زیر اساس استفاده از رادیو ایزوتوپها را برای تشخیص تودۀ سرطانی نشان میدهد. با بررسی آن، فرایند تشخیص بیماری را توضیح دهید. دود سیگار و قلیان، مقدار قابل توجهی مواد پرتوزا دارد. از این رو اغلب افرادی که به سرطان ریه دچارمیشوند، سیگاری هستند.
برای تشخیص سلولهای سرطانی، ماده رادیوایزوتوپ (گلوکز حاوی اتم پرتوزا) به بدن فرد تزریق میشود. رادیوایزوتوپها در بافتهایی که متابولیسم بیشتری دارند، تجمع بیشتر دارند. بنابراین از طریق دستگاه گردش خون، این مواد پرتوزا و گلوکزهای معمولی به توده سرطانی که رشد سریعی دارند، وارد میشوند.
درون تودههای سرطانی، رادیو ایزوتوپ شروع به پرتودهی میکند و خود بافت منبع تابش پرتو میشود و پرتوهایی با انرژی مناسب برای آشکارسازی ساطع میشود که دستگاه آشکارساز پرتو میتواند به اشکاری سازی این پرتوها کمک کند.