Čo je izotop?

Každý atóm uhlíka má 6 protónov a práve to z neho robí uhlík. Keby sa však atómy uhlíka dali vážiť jeden po druhom, ukázalo by sa, že nevážia všetky rovnako. Niekoľko z nich je o trochu ťažších ako ostatné.

Ako môžu mať dva atómy toho istého prvku rôznu hmotnosť? Odpoveď sa skrýva v jadre.

Rovnaké protóny, rôzne neutróny

Jadro atómu obsahuje dva druhy čiastočiek: protóny a neutróny. Počet protónov rozhoduje o tom, o aký prvok ide. Počet neutrónov sa však môže líšiť, dokonca aj medzi atómami toho istého prvku.

Verziám jedného prvku s rôznym počtom neutrónov hovoríme izotopy. Názov pochádza z gréckych slov s významom „rovnaké miesto“: všetky izotopy prvku majú v periodickej tabuľke spoločné políčko.

Neutróny nemajú elektrický náboj, ale majú hmotnosť. Izotop s viacerými neutrónmi je preto o trochu ťažší. Inak sú atómy takmer úplne rovnaké.

Ako izotopy dostávajú mená?

Pri pomenovaní izotopu sa sčítajú jeho protóny a neutróny a súčet sa pridá za názov prvku:

Uhlík-12 má 6 protónov a 6 neutrónov: 6 + 6 = 12.
Uhlík-14 má 6 protónov a 8 neutrónov: 6 + 8 = 14.

Tomuto súčtu hovoríme nukleónové číslo. Vedci ho píšu aj ako malé číslo pred značku prvku: ¹²C a ¹⁴C.

Uhlík-12 aj uhlík-14 majú 6 protónov, a preto sú oba uhlík. Keď sčítaš protóny a neutróny, dostaneš číslo v názve.

Tri prírodné izotopy vodíka

Vodík, najľahší prvok, má v prírode tri izotopy a dva z nich majú dokonca vlastné mená:

Obyčajný vodík, teda vodík-1, má 1 protón a žiadny neutrón. Takmer všetok vodík je takýto.
Deutérium, teda vodík-2, má 1 protón a 1 neutrón. Hovorí sa mu aj ťažký vodík. Približne 1 zo 6 400 atómov vodíka vo vode je deutérium.
Trícium, teda vodík-3, má 1 protón a 2 neutróny. Je rádioaktívne: skôr či neskôr sa jeho jadro samo zmení.

Tri atómy vodíka. Každý má jeden protón a jeden elektrón, a preto je to vodík. Líši sa len počet neutrónov.

Správajú sa izotopy inak?

Izotopy jedného prvku majú rovnaký počet protónov, a preto majú ich atómy aj rovnaký počet elektrónov. A v chémii ide práve o elektróny. Rozhodujú o tom, ako sa atómy spájajú chemickými väzbami.

Preto sa izotopy jedného prvku správajú v chémii takmer úplne rovnako. Rastliny prijímajú zo vzduchu uhlík-12 aj uhlík-13 takmer rovnakým spôsobom a tvoje telo používa oba ako stavebný materiál.

Stabilné a rádioaktívne izotopy

Mnohé izotopy sú stabilné: ich jadrá zostávajú navždy rovnaké. Uhlík-12 aj uhlík-13 sú stabilné.

Iné izotopy sú rádioaktívne. Ich jadrá sú nestále a skôr či neskôr sa samy zmenia a vyšlú žiarenie.

Uhlík-14 je rádioaktívny. Za približne 5 700 rokov sa polovica akéhokoľvek množstva uhlíka-14 zmení na dusík. Tomuto času hovoríme polčas rozpadu.

Laboratórium nižšie začína uhlíkom-12. Pridaj dva neutróny: prvok zostane rovnaký, ale jadro sa stane rádioaktívnym.

Postav si atóm

Nechaj protóny a meň počet neutrónov. Ktoré jadrá držia pokope?

Nie je v mierke. Skutočné elektróny sa pohybujú v rozmazanom oblaku, nie po kruhoch.

Protóny 6

Neutróny 6

Elektróny 6

Prvok: Uhlík (C) Protónové číslo 6: každý atóm tohto prvku má 6 protónov.
Izotop: Uhlík-12: stabilné jadro 6 protónov + 6 neutrónov = 12 častíc v jadre. Jadro sa samo nemení.
Náboj: Neutrálny atóm 6 protónov (+) a 6 elektrónov (−) sa navzájom vyrovnajú.
Vonkajšia vrstva: 4 z 8 Delí sa o 4 elektróny. Vrstvy od stredu: 2, 4.

Vyber prvok

Postavené prvky: 0 z 20

Výzvy

Splnené: 0 zo 7

Vodík-1, obyčajný vodík
Deutérium, ťažký vodík
Trícium, rádioaktívny vodík
Uhlík-12
Uhlík-14, podľa neho sa určuje vek starých vecí
Jadro, ktoré sa rozpadne do jedného dňa
Draslík-40, nájdeš ho aj v banánoch

Meň počet neutrónov a sleduj, ako sa mení izotop. Niektoré jadrá sú stabilné, iné rádioaktívne: niektoré rádioaktívne jadrá vydržia tisíce rokov, iné sa rozpadnú do jedného dňa.

Hodiny vo vnútri starých vecí

Uhlík-14 vzniká neustále vysoko vo vzduchu, keď do atómov dusíka narazí žiarenie z vesmíru. Rastliny ho prijímajú zo vzduchu spolu s obyčajným uhlíkom a zvieratá rastliny zjedia. Každý živý tvor má preto v sebe drobné, stále rovnaké množstvo uhlíka-14.

Keď rastlina alebo zviera uhynie, prestane prijímať nový uhlík. Odvtedy uhlík-14, ktorý má v sebe, pomaly mizne. Po približne 5 700 rokoch z neho zostane len polovica a po približne 11 400 rokoch len štvrtina.

Vedci zmerajú, koľko uhlíka-14 zostalo v starej kosti, v kúsku dreva alebo v kúsku starej tkaniny. Z toho vypočítajú, aké staré tieto veci sú. Tomu sa hovorí rádiouhlíková metóda a funguje pri veciach starých najviac asi 50 000 rokov.

Izotopy, ktoré nám pomáhajú

V nemocniciach dajú lekári pacientom maličké množstvo rádioaktívneho izotopu. Ten putuje telom a ukáže sa na špeciálnej kamere, takže lekári vidia, ako pracujú orgány. Najčastejšie sa používa technécium-99m, ktoré každý rok pomáha pri desiatkach miliónov vyšetrení.
V elektrárňach je palivom urán-235. Jeho jadrá sa dokážu rozštiepiť a vydať veľa tepla.
Vo vede izotopy prezrádzajú, aké staré sú horniny, a dokonca aj to, aké teplo bolo na Zemi kedysi dávno.

Poďme hlbšie: Čísla a zápis pre dospelých a extra zvedavých

Protónové číslo $Z$ udáva počet protónov, neutrónové číslo $N$ počet neutrónov a nukleónové číslo $A = Z + N$ počet oboch spolu. Uhlík-14 má $Z = 6$ , $N = 8$ a $A = 14$ a zapisuje sa $^{14}_{6}\mathrm{C}$ .
Jeden druh jadra s určitým $Z$ a $N$ sa volá nuklid. Poznáme tisíce nuklidov, ale len pri 251 z nich sa nikdy nepozoroval rozpad. Aspoň jeden stabilný izotop má 80 prvkov a najviac ich má cín: desať.
V laboratóriách vyrobili aj vodík-4 až vodík-7, rozpadnú sa však takmer okamžite. V prírode sa vyskytujú len tri najľahšie izotopy vodíka.
Väčšina prvkov je v prírode zmesou izotopov. Prírodný uhlík je asi z 98,9 % uhlík-12 a z 1,1 % uhlík-13 a na bilión atómov uhlíka pripadá asi jeden atóm uhlíka-14. Preto má uhlík v periodickej tabuľke relatívnu atómovú hmotnosť 12,011, a nie presne 12: je to priemer.
Izotopy nie sú v chémii úplne rovnaké. Ťažšie izotopy zvyčajne reagujú o trochu pomalšie. Najväčší je tento rozdiel pri vodíku, lebo deutérium je dvakrát ťažšie ako obyčajný vodík.

Poďme hlbšie: Prečo záleží na počte neutrónov pre dospelých a extra zvedavých

Protóny majú všetky kladný náboj, a preto sa navzájom odpudzujú. Jadro napriek tomu drží pokope silná jadrová sila a neutróny k tomuto lepidlu prispievajú bez toho, aby pridali odpudzovanie. Ľahké stabilné jadrá majú približne toľko neutrónov ako protónov: uhlík-12 má 6 a 6, kyslík-16 8 a 8 a vápnik-40 20 a 20. Ťažké jadrá potrebujú neutróny navyše, aby udržali pokope veľa protónov. Olovo-208, najťažší stabilný nuklid, má 82 protónov a 126 neutrónov.

Jadro, ktoré má na svoje protóny primálo alebo priveľa neutrónov, je nestabilné. Mení sa rádioaktívnym rozpadom: neutrón sa zmení na protón alebo naopak, kým pomer nie je lepší. Uhlík-14 má na svojich 6 protónov priveľa neutrónov. Jeden z nich sa zmení na protón a z jadra sa stane dusík-14 so 7 protónmi a 7 neutrónmi.

Poďme hlbšie: Urán-235 a urán-238 pre dospelých a extra zvedavých

Prírodný urán je asi z 99,3 % urán-238 a len z 0,7 % urán-235. Na tom rozdiele záleží. Jadro uránu-235 sa ľahko rozštiepi, keď doň narazí pomalý neutrón, a pri štiepení sa uvoľnia ďalšie neutróny, ktoré môžu rozštiepiť ďalšie jadrá. Urán-238 sa takto takmer nikdy nerozštiepi. Väčšina jadrových reaktorov potrebuje palivo s asi 3 až 5 % uránu-235, a preto sa urán najprv obohacuje.

Oba izotopy sa v chémii správajú takmer úplne rovnako, takže ich nerozdelí žiadny chemický trik. Obohacovanie namiesto toho využíva ich nepatrný rozdiel v hmotnosti. Urán sa premení na plyn a roztočí vo veľmi rýchlych centrifúgach, kde sa ťažší urán-238 trochu viac drží pri stene.

Oba izotopy sú rádioaktívne, ale veľmi pomalé. Urán-238 má polčas rozpadu asi 4,5 miliardy rokov, čo je približne vek Zeme. Urán-235 má polčas rozpadu asi 700 miliónov rokov.

Over sa

Uhlík-12 aj uhlík-14 sú uhlík. Čím sa líšia?

Ukáž odpoveď

Počtom neutrónov – Oba majú 6 protónov, a preto sú oba uhlík. Uhlík-12 má 6 neutrónov a uhlík-14 ich má 8.