Неорганическая химия. Т. 1. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975563), страница 30
Текст из файла (страница 30)
обладает — а-распад. Самые тяжелые ядра способны претерпевать самопроизвольное деление. Радиоактивные ряды. Встречающиеся на Земле радиоактивные элементы являются продуктами распада трех достаточно долгоживущих изотопов: урана-238 (то, = 4,5 109 лет); урана-235 (то, — - 7 10' лет) и торна-232 (7 02 = 1,4 10'0 лет), которые являются предшественниками природных радиоактивных рядов. На рис.
3.15 представлены два ряда, начинающиеся радиоактивными изотопами урана и заканчивающиеся стабильными изотопами свинца. Этот рисунок представляет собой увеличенный фрагмент графика, приведенного на рис. 3.14. Поскольку радиоактивные элементы в процессе превращения претерпевают только а- и В -распад, масса ядра изменяется лишь на 4 единицы. В ряду урана-238 тип ядра по массе равен (4л + 2), в ряду урана-235 — (4л + 3), а 93 92 91 Й В9 к Й вв о о В7 о б 06 65 В2 в! 00 124 125 126 127 !24 129 130 13! 132 1ЗЗ 134 135 136 137 !ЗВ !39 140 141 142 !43 !44 !45 146 Число нейтронов Рис. 3.15. Ряды радиоактивного распада урана-235 и урана-238 137 тория-232 — 4п.
Родоначальником еще одного радиоактивного ряда с типом ядра по массе, равным (4п + 1), является нептуний-237. Ядерные реакции. При бомбардировке различных изотопов химических элементов частицами с высокой энергией (нейтронами, протонами, а-частицами, ядрами дейтерия и более тяжелыми ядрами) происходит образование ядер других элементов — ядерные реакции В результате осуществления ядерных реакций были получены многие химические элементы, не существующие в природе, в частности, все элементы, следующие за ураном в Периодической системе химических элементов. Первым элементом, полученным синтетическим путем в 1937 г., был технеций (Тс), порядковый номер 43.
Его получили облучением молибдена ядрами дейтерия — дейтронами': 9ОМо + 2Н 9 ~4Тс + ~п Трансурановые элементы (У > 92) получают бомбардировкой тяжелыми ядрами. Например, синтез элемента 99 — эйнштейния — был осуществлен по реакции: 22а() + ~4Р( 247Е 92 7 99 О К ядерным реакциям относят также реакции ядерного деления и ядерного синтеза.
При бомбардировке нейтронами тяжелые ядра расщепляются на осколки — ядра более легких элементов. При этом вьщеляется громадное количество энергии. Одним из путей деления урана-235 является ядерная реакция: 22%+ 'и -9 '"Ва+ '4Кг+3'и. 92 О 56 Зб О Поскольку в результате деления ядра урана образуется три нейтрона, дальнейшее развитие реакции может идти по цепному механизму (цепная ядерная реакция). В реакциях ядерного синтеза происходит слияние атомных ядер легких изотопов. Примером может служить синтез ядер гелия из изотопов водорода: 2Н+ 5Н 9 4Не+ !и Такие процессы сопровождаются выделением огромного количества энергии, что привлекает к ним большое внимание. Однако эти реакции, называемые термоядерными, протекают лишь при очень высоких температурах — более миллиона градусов.
Такие условия осуществимы только в недрах звезд, при атомном взрыве или в мощном газовом разряде, Трудности в попытках искусственного осуществления термоядерных процессов связаны с проблемой концентрации высокотемпературной плазмы с помощью сверхмощных магнитных полей. Происхолщение элементов'. Ядерные реакции, проходящие во Вселенной, привели к образованию большого числа элементов (рис. 3.16). Если современная точка зрения об образовании Вселенной верна, то примерно через 2 ч ' В уравнениях ядерных реакций сумма зарядов и суммы массовых чисел справа и слева равны.
' Подробнее см. книгу Р.Д7К.Теллер. Происхождение химических элементов. — Мс Мир, !975. 138 Межзвездное вещество онденсация в результате охлаждения Пе вичная звезда Испускание материи Гравитационное сжатие Звезда главной последовательности Испускание материи Красный гигант ицщф(ФффОв.' врыв сверхновой звезды Гравитационное сжатие Белый Нейтронная :.1,'.и,„„, рв11еие1рт)в,"1 Рис. 3.16. Происхождение химических элементов 41Н вЂ” ь ЗНе + 2е + 2 и+ Зу 1 4 4 + ЗНе Более тяжелые элементы образуются в заметных количествах, когда завершаются реакции с участием водородных ядер.
К этому времени происходит увеличение плотности звездного вещества до 10в кг/мз, что в сто тысяч раз больше плотности воды, и одновременно температура повышается до 10а К. ' Ядерные реакции протекают достаточно быстро при температурах в диапазоне 5 — 10 МК (1 МК = 1Ог К), 139 после Большого взрыва температура упала настолько, что основная масса материи состояла из атомов водорода (89%) и гелия (11 %).
Конденсация атомов водорода и гелия привела к образованию первичных звезд. Коллапс этих звезд под действием гравитации вызвал повышение температуры и плотности, что привело к слиянию ядер, т.е. ядерному синтезу'. Первичные ядерные реакции практически идентичны тем, которые изучаются в последнее время в связи с проблемой управляемого ядерного синтеза. В звездах образовались элементы с атомными номерами до 26. Они являются продуктами ядерных реакций, называемых «ядерным горением». Такие реакции представляли собой сложный циклический процесс с участием ядер водорода и гелия и катализируемый ядрами углерода — так называемый углеродный цикл: В таких чрезвычайно жестких условиях становится возможным синтез с участием ядер гелия.
Элементы, более тяжелые, чем железо, образуются в результате ядерных реакций с захватом свободных нейтронов. На ранней стадии звездной эволюции свободных нейтронов не существовало, они появились позже в результате процессов, подобных реакции: гюзХе+ 4Не — + ггоМ8+ о'и Под действием интенсивного потока нейтронов, как в случае сверхновых звезд (взрыв звезд), образовавшиеся ядра способны и дальше захватывать нейтроны, что приводит к появлению все более тяжелых изотопов.
Пример 3.3. Напишите уравнения ядерных реакций превращения изотопа 'зоран а ~Оа, если известно, что изотоп цинка поглощает нейтрон, а затем подвергается 1)-распаду. Реиение. При поглощении нейтрона массовое число изотопа увеличивается на 1, а при испускании р-частицы (электрона) заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число остается тем же: оопп+ 'л -> ооба+ е зо о з~ В действительности этот процесс сопровождается также испусканием нейтрино и т-излучением, что не влияет на массовое число и заряд образовавшегося изотопа.
3.2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ 3,2.1. Периодический закон Не вдаваясь в историю открытия периодического закона, отметим, что он бьп впервые сформулирован в 1869 г. Д. И. Менделеевым, который считал основной фундаментальной характеристикой элемента его атомную массу: Дмитрий Иванович Менделеев (1834 — 1907). Поистине великий ученый. Нет, кажется, нн одной области химии, а которую бы он не внес свой вклад. Наиболее известные его работы, кроме периодического закона, это открытие «температуры абсолютного кипения» (критической точки), разработка физико-химической (гндратной) теории растворов, формулировка обобщенного газового закона.
Еще одним главным делом своей жизни Д. И. Менлелеев считал учебник «Основы химии». 140 Д.И.Менделеев представил этот закон в форме Периодической системы, руководствуясь не только известными атомными массами элементов, но и в значительной степени их химическими свойствами. Такой подход позволил: ° уточнить атомные массы многих известных Менделееву элементов, ° предсказать существование и свойства неизвестных в то время элементов германия (экасилиций), галлия (экабор) и скандия (экаалюминий).
Развитие физики в начале ХХ в. привело к открытию сложного строения атома. Для дальнейшего понимания Периодической системы элементов важнейшую роль сыграло открытие английского физика Г.Мозли, Он, исследуя частоты рентгеновского излучения, испускаемого элементами при их бомбардировке электронным пучком, установил, что порядковый номер элемента в Периодической таблице соответствует заряду ядра атома. Идея периодичности свойств химических элементов Д.И. Менделеевым полностью подтвердилась, стали объяснимы перестановки элементов в таблице вопреки последовательности атомных масс (Аг и К; Со и )х(1; Те и 1). Оказалось, что основным свойством атома любого из химических элементов является заряд ядра и, следовательно, формулировка периодического закона нуждается в корректировке: Причина периодичности свойств элементов окончательно стала понятна только после определения электронного строения атома.
Она основана на сходстве конфигураций внешних электронных орбиталей атомов в невозбужденном состоянии (занимаюшие их электроны ответственны за химические свойства) и определяется периодичностью повторения строения внешних электронных уровней. Так, элементы-галогены (Р, С1, Вг, 1, А1), обладающие похожими химическими свойствами, имеют на внешнем электронном уровне семь электронов (лузлр'); шелочные металлы (11, )х)а, К, КЬ, Сз, Рг) — один электрон (па'), элементы У, )х)Ь, Та — пять электронов соответствующих конфигурации (и — 1)с(з пуз Периодическая система элементов является графическим выражением периодического закона. 3.2.2. Структура Периодической таблицы Существует большое число вариантов Периодической таблицы химических элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
