Introductory Chemistry – 1st Canadian Edition

Am văzut în capitolul 3 „Atomi, molecule și ioni” că atomii sunt compuși din particule subatomice – protoni, neutroni și electroni. Protonii și neutronii sunt localizați în nucleu și asigură cea mai mare parte din masa unui atom, în timp ce electronii înconjoară nucleul în învelișuri și subînvelișuri și explică dimensiunea unui atom.

Am introdus, de asemenea, în Capitolul 3 „Atomi, molecule și ioni” notația pentru reprezentarea succintă a unui izotop al unui anumit atom:

612C

Elementul din acest exemplu, reprezentat prin simbolul C, este carbonul. Numărul său atomic, 6, este indicele din dreptul simbolului și reprezintă numărul de protoni din atom. Numărul de masă, superscriptul de lângă simbol, este suma numărului de protoni și neutroni din nucleul acestui izotop special. În acest caz, numărul de masă este 12, ceea ce înseamnă că numărul de neutroni din atom este 12 – 6 = 6 (adică, numărul de masă al atomului minus numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de neuroni). Ocazional, numărul atomic este omis în această notație, deoarece simbolul elementului însuși transmite numărul atomic caracteristic acestuia. Cei doi izotopi ai hidrogenului – 2H și 3H – primesc nume și simboluri proprii: deuteriu (D) și, respectiv, tritiu (T).

Teoria atomică din secolul al XIX-lea presupunea că nucleele au compoziții fixe. Dar, în 1896, omul de știință francez Henri Becquerel a descoperit că un compus de uraniu plasat lângă o placă fotografică producea o imagine pe placă, chiar dacă compusul era înfășurat într-o pânză neagră. El a considerat că compusul de uraniu emitea un fel de radiație care trecea prin pânză pentru a expune placa fotografică. Cercetările ulterioare au arătat că radiația era o combinație de particule și raze electromagnetice, sursa sa finală fiind nucleul atomic. Aceste emanații au fost numite în cele din urmă, în mod colectiv, radioactivitate.

Există trei forme principale de emisii radioactive. Prima se numește particulă alfa, care este simbolizată prin litera greacă α. O particulă alfa este compusă din doi protoni și doi neutroni și este la fel ca un nucleu de heliu. (Adesea folosim 24He pentru a reprezenta o particulă alfa.) Ea are o sarcină 2+. Atunci când un atom radioactiv emite o particulă alfa, numărul atomic al atomului original scade cu doi (din cauza pierderii a doi protoni), iar numărul său de masă scade cu patru (din cauza pierderii a patru particule nucleare). Putem reprezenta emisia unei particule alfa cu o ecuație chimică – de exemplu, emisia de particule alfa a uraniului-235 este următoarea:

92235U → 24He+90231Th

În loc să numim această ecuație o ecuație chimică, o numim ecuație nucleară pentru a sublinia faptul că schimbarea are loc într-un nucleu atomic. De unde știm că un produs al acestei reacții este90231Th? Ne folosim de legea conservării materiei, care spune că materia nu poate fi creată sau distrusă. Acest lucru înseamnă că trebuie să avem același număr de protoni și neutroni pe ambele părți ale ecuației nucleare. Dacă nucleul nostru de uraniu pierde 2 protoni, rămân 90 de protoni, ceea ce identifică elementul ca fiind toriu. Mai mult decât atât, dacă pierdem patru particule nucleare din cele 235 originale, rămân 231 de particule. Astfel, folosim scăderea pentru a identifica izotopul atomului de Th – în acest caz, 90231Th.

Cimiștii folosesc adesea denumirile de izotop părinte și izotop fiică pentru a reprezenta atomul original și produsul, altul decât particula alfa. În exemplul anterior, 92235U

este izotopul părinte, iar 90231Th este izotopul fiică. Atunci când un element se transformă în alt element în acest mod, el suferă dezintegrare radioactivă.

Cel de-al doilea mare tip de emisie radioactivă se numește particulă beta, simbolizată prin litera grecească β. O particulă beta este un electron expulzat din nucleu (nu din învelișurile de electroni din jurul nucleului) și are o sarcină 1-. De asemenea, putem reprezenta o particulă beta ca fiind -10e. Efectul net al emisiei de particule beta asupra unui nucleu este că un neutron este transformat într-un proton. Numărul total de masă rămâne același, dar, deoarece numărul de protoni crește cu unu, numărul atomic crește cu unu. Carbonul-14 se dezintegrează prin emiterea unei particule beta:

614C → 714N +-10e

Încă o dată, suma numerelor atomice este aceeași de ambele părți ale ecuației, la fel ca și suma numerelor de masă. (Rețineți că electronului i se atribuie un „număr atomic” de -1, egal cu sarcina sa.)

Cel de-al treilea tip major de emisie radioactivă nu este o particulă, ci mai degrabă o formă foarte energetică de radiație electromagnetică numită raze gamma, simbolizată prin litera grecească γ. Razele gamma în sine nu poartă o sarcină electrică globală, dar pot scoate electroni din atomii dintr-o probă de materie și o pot face încărcată electric (fapt pentru care razele gamma sunt denumite radiații ionizante). De exemplu, în dezintegrarea radioactivă a radonului-222, sunt emise atât radiații alfa, cât și radiații gamma, acestea din urmă având o energie de 8,2 × 10-14 J pentru fiecare nucleu dezintegrat:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Aceasta poate părea puțină energie, dar dacă 1 mol de atomi de Rn s-ar dezintegra, energia razelor gamma ar fi de 4.9 × 107 kJ!

Emisia alfa, beta și gama au capacități diferite de a penetra materia. Particula alfa, relativ mare, este oprită cu ușurință de materie (deși poate transmite o cantitate semnificativă de energie materiei cu care intră în contact). Particulele beta pătrund ușor în materie, poate cel mult câțiva centimetri. Razele gamma pot pătrunde adânc în materie și pot transmite o cantitate mare de energie în materia înconjurătoare. Tabelul 15.1 „Cele trei forme principale de emisii radioactive” rezumă proprietățile celor trei tipuri principale de emisii radioactive.

Ocazional, un nucleu atomic se rupe în bucăți mai mici într-un proces radioactiv numit fisiune spontană (sau fisiune). În mod obișnuit, izotopii fiică produși prin fisiune sunt un amestec variat de produse, mai degrabă decât un izotop specific, ca în cazul emisiei de particule alfa și beta. Adesea, fisiunea produce un exces de neutroni care vor fi uneori capturați de alte nuclee, ceea ce poate induce evenimente radioactive suplimentare. Uraniul-235 suferă fisiune spontană într-o mică măsură. O reacție tipică este

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

unde 01n este un neutron. Ca în cazul oricărui proces nuclear, sumele numerelor atomice și ale numerelor de masă trebuie să fie aceleași de ambele părți ale ecuației. Fuziunea spontană se întâlnește numai în nucleele mari. Cel mai mic nucleu care prezintă fisiune spontană este plumb-208. (fisiunea este procesul radioactiv utilizat în centralele nucleare și într-un tip de bombă nucleară.)