تمرین با هم ببینیم شیمی دهم
1. دادههای جدول زیر را با دقت بررسی کنید؛ سپس به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
| ویژگی ایزوتوپ | $\mathbf{^1H}$ | $\mathbf{^2H}$ | $\mathbf{^3H}$ | $\mathbf{^4H}$ | $\mathbf{^5H}$ | $\mathbf{^6H}$ | $\mathbf{^7H}$ |
| :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: |
| نیم عمر | $\dots$ | $\dots$ | $12/32 \text{ سال}$ | $1.4 \times 10^{-22} \text{ ثانیه}$ | $9.1 \times 10^{-23} \text{ ثانیه}$ | $2.9 \times 10^{-22} \text{ ثانیه}$ | $2.3 \times 10^{-23} \text{ ثانیه}$ |
| پایداری | پایدار | پایدار | $\dots$ | $\dots$ | $\dots$ | $\dots$ | $\dots$ |
| درصد فراوانی در طبیعت | $99.9885$ | $0.0115$ | ناچیز (ساختگی) | (ساختگی) | (ساختگی) | (ساختگی) | (ساختگی) |
الف) چه شباهتها و چه تفاوتهایی میان این ایزوتوپها وجود دارد؟
ب) یک نمونهی طبیعی از عنصر هیدروژن، مخلوطی از چند ایزوتوپ است؟ کدام ایزوتوپ پایدار است؟
پ) نیمعمر هر ایزوتوپ نشان میدهد که آن ایزوتوپ تا چه اندازه پایدار است. کدام ایزوتوپ هیدروژن از همه ناپایدارتر است؟
ت) هستهی ایزوتوپهای ناپایدار، ماندگار نیست و با گذشت زمان متلاشی میشود. این ایزوتوپها پرتوزا هستند و اغلب بر اثر تلاشی افزون بر پرتوهای مرئی، مقدار زیادی **انرژی** نیز آزاد میکنند. انتظار دارید **جفت هیدروژن پرتوزا** باشد؟
ث) اغلب هستههایی که نسبت شمار نوترونها به پروتونها در آنها برابر یا بیش از $1/5$ باشد، ناپایدارند و با گذشت زمان متلاشی میشوند. چند ایزوتوپ هیدروژن دارای این ویژگی است؟
ج) اگر ایزوتوپهای پرتوزا و ناپایدار، **رادیوایزوتوپ** نامیده شوند، چه تعداد از ایزوتوپهای هیدروژن، رادیوایزوتوپ به شمار میرود؟
چ) **درصد فراوانی** هر ایزوتوپ در طبیعت نشان دهندهی چیست؟ توضیح دهید.
پاسخ و توضیح تمرین با هم ببینیم صفحه 6 شیمی دهم
این تمرین به صورت مفصل به بررسی **ایزوتوپهای عنصر هیدروژن** میپردازد. ایزوتوپها اتمهایی از یک عنصر هستند که **تعداد پروتونهای** یکسان اما **تعداد نوترونهای** متفاوتی دارند.
---
## الف) شباهتها و تفاوتهای ایزوتوپها
* **شباهتها:**
* همهی آنها **هیدروژن** هستند، پس **عدد اتمی** ($Z$) و **تعداد پروتونها** ($1$) در همهی آنها **یکسان** است. به همین دلیل، **خواص شیمیایی** مشابهی دارند.
* **تفاوتها:**
* **عدد جرمی** ($A$) و **تعداد نوترونها** در آنها متفاوت است (از $0$ نوترون در $\mathbf{^1H}$ تا $6$ نوترون در $\mathbf{^7H}$).
* **پایداری** آنها متفاوت است (از پایدار تا بسیار ناپایدار).
* **نیمعمر** و **درصد فراوانی در طبیعت** آنها متفاوت است.
---
## ب) ایزوتوپهای نمونهی طبیعی و ایزوتوپهای پایدار
* **نمونهی طبیعی:** یک نمونهی طبیعی از هیدروژن مخلوطی از $\mathbf{^1H}$ (پروتیوم) و $\mathbf{^2H}$ (دوتریوم) است. (ایزوتوپ $\mathbf{^3H}$ (تریتیوم) به دلیل ناپایدار بودن، در طبیعت به مقدار بسیار ناچیز یافت میشود).
* **ایزوتوپهای پایدار:** $\mathbf{^1H}$ (پروتیوم) و $\mathbf{^2H}$ (دوتریوم) **پایدار** هستند (نیمعمر نامشخص، به این معنی که تجزیه نمیشوند).
---
## پ) مفهوم نیمعمر و ناپایدارترین ایزوتوپ
* **نیمعمر:** **نیمعمر**، مدت زمانی است که طول میکشد تا **نصف** اتمهای پرتوزا (ناپایدار) یک نمونه تجزیه و به اتمهای پایدارتر تبدیل شوند. هرچه نیمعمر **کوتاهتر** باشد، آن ایزوتوپ **ناپایدارتر** و سرعت تجزیهی آن **بیشتر** است.
* **ناپایدارترین ایزوتوپ:** با مقایسهی ستون نیمعمر (به ثانیه)، کوتاهترین نیمعمر مربوط به $\mathbf{^7H}$ است ($2.3 \times 10^{-23} \text{ ثانیه}$). بنابراین $\mathbf{^7H}$ **ناپایدارترین** ایزوتوپ هیدروژن است.
---
## ت) هستهی پرتوزای هیدروژن
**پاسخ:** انتظار داریم $\mathbf{^3H}$ (تریتیوم) پرتوزا باشد.
**چرا؟** ایزوتوپهای $\mathbf{^1H}$ و $\mathbf{^2H}$ پایدارند. از بین ایزوتوپهای ناپایدار، $\mathbf{^3H}$ **تنها ایزوتوپی** است که در مقیاس زمانی طولانی (نیمعمر $12.32$ سال) در طبیعت وجود دارد و به دلیل همین ناپایداری، پرتوزا و منبع انرژی است. ایزوتوپهای $\mathbf{^4H}$ تا $\mathbf{^7H}$ نیمعمر بسیار کوتاهی دارند و به صورت مصنوعی و لحظهای در آزمایشگاهها تولید میشوند.
---
## ث) ایزوتوپهایی با نسبت $\mathbf{\frac{n}{p} \geq 1.5}$
شمار پروتونها ($p$) در همهی ایزوتوپهای هیدروژن $\mathbf{1}$ است. $\mathbf{\frac{n}{p} \geq 1.5}$ به معنی $athbf{n \geq 1.5}$ است. چون نوترونها باید عددی صحیح باشند، یعنی **تعداد نوترون باید $2$ یا بیشتر باشد.**
* $\mathbf{^3H}: n = 2$. نسبت $\frac{n}{p} = \frac{2}{1} = 2$. ($athbf{\geq 1.5}$)
* $\mathbf{^4H}: n = 3$. نسبت $\frac{n}{p} = \frac{3}{1} = 3$. ($athbf{\geq 1.5}$)
* $\mathbf{^5H}: n = 4$. نسبت $\frac{n}{p} = \frac{4}{1} = 4$. ($athbf{\geq 1.5}$)
* $\mathbf{^6H}: n = 5$. نسبت $\frac{n}{p} = \frac{5}{1} = 5$. ($athbf{\geq 1.5}$)
* $\mathbf{^7H}: n = 6$. نسبت $\frac{n}{p} = \frac{6}{1} = 6$. ($athbf{\geq 1.5}$)
**نتیجه:** **پنج** ایزوتوپ ($athbf{^3H}$، $athbf{^4H}$، $athbf{^5H}$، $athbf{^6H}$ و $athbf{^7H}$) این ویژگی را دارند و همانطور که در جدول مشاهده میشود، همهی آنها (به جز $\mathbf{^1H}$ و $\mathbf{^2H}$) ناپایدارند.
---
## ج) رادیوایزوتوپهای هیدروژن
**پاسخ:** $\mathbf{5}$ ایزوتوپ ($^3H$, $^4H$, $^5H$, $^6H$, $^7H$)
**توضیح:** **رادیوایزوتوپ** به ایزوتوپهایی گفته میشود که **ناپایدار** و **پرتوزا** باشند (از خود پرتو گسیل میکنند). از بین ایزوتوپهای هیدروژن، تنها $\mathbf{^1H}$ و $\mathbf{^2H}$ پایدار هستند. بنابراین **پنج** ایزوتوپ دیگر $(\mathbf{^3H}$ تا $athbf{^7H})$ ناپایدار و پرتوزا (رادیوایزوتوپ) هستند.
---
## چ) مفهوم درصد فراوانی در طبیعت
**درصد فراوانی** هر ایزوتوپ در طبیعت، نشان دهندهی **نسبت تعداد اتمهای** آن ایزوتوپ به **کل تعداد اتمهای** آن عنصر در یک نمونهی طبیعی است.
* این مقدار نمایانگر **پایداری** ایزوتوپ در طول تاریخ زمین و کیهان است. ایزوتوپهایی که درصد فراوانی بالاتری دارند (مانند $\mathbf{^1H}$ با $99.9885\%$)، **پایدارترین** و **فراوانترین** اشکال آن عنصر در جهان هستند.
* ایزوتوپهایی با درصد فراوانی ناچیز (مانند $\mathbf{^3H}$) یا فراوانی صفر (ایزوتوپهای ساختگی)، نشاندهندهی **ناپایداری** و طول عمر کوتاهتر آنها هستند.
حانیه
1403/07/24
عالی