درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل اول: آیا همهی اتمهای یک عنصر پایدارند؟
آیا همۀ اتمهای یک عنصر پایدارند؟
شیمیدانها مادهای را عنصر مینامند که از یک نوع اتم تشکیل شده باشد، برای نمونه منیزیم و هلیم عنصر به شمار میروند زیرا یک نمونه منیزیم حاوی اتمهای منیزیم و یک نمونه هلیم حاوی اتمهای هلیم است. جالب است بدانید 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 جرم همۀ اتمهای منیزیم در این نمونه یکسان نیست، بلکه مخلوطی از سه هم مکان (ایزوتوپ) است (شکل 3).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 5 کتاب درسی)
1- میدانید 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 | |
|---|---|---|---|---|---|
| $_{12}^{24}Mg$ | 24 | 12 | 12 | 12 | |
| $_{12}^{25}Mg$ | 25 | 12 | 12 | 13 | |
| $_{12}^{26}Mg$ | 26 | 12 | 12 | 14 | |
ایزوتوپهای یک عنصر دارای Z یکسان اما A متفاوت هستند. به دیگر سخن ایزوتوپها، اتمهای یک عنصرند که در شمار نوترونها با یکدیگر تفاوت دارند. از آنجا که خواص شیمیایی اتمهای هر عنصر به عدد اتمی (Z) آن وابسته است؛ 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.
آیا میدانید
در میان ایزوتوپهای کربن، $_{6}^{14}C$ خاصیت پرتوزایی دارد و با استفاده از آن سن اشیای قدیمی و عتیقهها را تخمین میزنند؛ برای نمونه پژوهشگران میپنداشتند که کشور مصر مهد صنعت فرشبافی بوده است؛ اما با پیدا شدن فرشی به نام پازیریک (Pazyryk) در کوههای سیبری و تعیین قدمت آن با استفاده از $14{}^\circ C$، مشخص شد که این فرش به 2500 سال پیش تعلق دارد و مهد آن ایران بوده است.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 6 کتاب درسی)
1- دادههای جدول زیر را به دقت بررسی کنید؛ سپس به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
| $_{7}^{1}H$ | $_{6}^{1}H$ | $_{5}^{1}H$ | $_{4}^{1}H$ | $_{3}^{1}H$ | $_{2}^{1}H$ | $_{1}^{1}H$ | نماد ایزوتوپ / ویژگی ایزوتوپ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| $2/3 \times 10^{-23}$ ثانیه | $2/9 \times 10^{-22}$ ثانیه | $9/1 \times 10^{-22}$ ثانیه | $1/4 \times 10^{-22}$ 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 $_{1}^{3}Mg$ از همه ناپایدارتر است و در ایزوتوپهای ساختگی که همگی ناپایدارند، $_{1}^{7}Mg$ 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$_{1}^{3}Mg$ 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.
$_{3}^{7}Li=\frac{47}{50}\times 100=94%$ درصد فراوانی
$_{3}^{7}Li=\frac{3}{50}\times 100=6%$ 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 داشتهاند. تکنسیم ($_{43}^{99}Tc$) نخستین عنصری بود که در واکنشگاه (راکتور) هستهای ساخته شد. این رادیوایزوتوپ در تصویربرداری پزشکی کاربرد ویژهای دارد (شکل 4).
همۀ $_{}^{99}Tc$ 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.
هنگام عکسبرداری از دندانها در رادیولوژی باید با استفاده از پوششهای سربی از غده تیروئید در برابر پرتوهای پرانرژی و خطرناک محافظت کرد.
از تکنسیم $_{43}^{99}Tc$ برای تصویربرداری غدۀ تیروئید استفاده میشود زیرا یون یدید با یونی که حاوی $_{43}^{99}Tc$ است، اندازۀ تقریباً یکسانی دارد و غدۀ تیروئید هنگام جذب یدید، این یون را نیز جذب میکند. با افزایش مقدار این یون در غدۀ تیروئید، امکان تصویربرداری فراهم میشود.
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، $_{}^{235}U$ 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).
اما جالب است بدانید که پسماند راکتورهای اتمی هنوز خاصیت پرتوزایی دارد و خطرناک است؛ از این رو دفع آنها از جمله چالشهای صنایع هستهای به شمار میآید.
آیا میدانید
$_{}^{59}Fe$ یک رادیوایزوتوپ است و در تصویر برداری از دستگاه گردش خون به کار میرود زیرا یونهای آن در ساختار هموگلوبین وجود دارند.
دود سیگار و قلیان، مقدار قابل توجهی مواد پرتوزا دارد. از این رو اغلب افرادی که به سرطان ریه دچارمیشوند، سیگاری هستند.
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.
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.
