Występowanie izotopów w przyrodzie
Izotopy (nuklidy izotopowe) są rodzajami atomów należącymi do określonego pierwiastka chemicznego, które posiadają jednakową liczbę protonów (tę samą liczbę atomową) i różnią się między sobą liczbą neutronów i w konsekwencji także liczbą nukleonów w jądrze (liczbą masową). Znaczną większość izotopów występujących naturalnie w przyrodzie stanowią izotopy trwałe (izotopy stabilne, niepromieniotwórcze) (ok. 250), które wchodzą w skład 80 pierwiastków o jednym (pierwiastków czystych) lub większej liczbie nuklidów ( pierwiastków mieszanych). Pierwiastki czyste zawierają tylko jeden rodzaj nuklidu (czyli jądra atomowego o jednakowej liczbie protonów i neutronów); do grupy tej należą 22 pierwiastki, m.in. beryl (⁹Be), fluor (¹⁹F), sód (²³Na), glin (²⁷Al), fosfor (³¹P), mangan (⁵⁵Mn), kobalt (⁵⁹Co), arsen (⁷⁵As), jod (¹²⁷I) i złoto (¹⁹⁷Au). Pierwiastki mieszane stanowią mieszaninę dwóch bądź większej ilości nuklidów izotopowych (czyli jąder atomowych o jednakowej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów) cechującą się ściśle określonym i przeważnie stałym składem izotopowym; grupa ta obejmuje pozostałe pierwiastki chemiczne, m.in. wodór (¹H, ²H), węgiel (¹²C, ¹³C), azot (¹⁴N, ¹⁵N), chlor (³⁵Cl, ³⁷Cl), tlen (¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O), magnez (²⁴Mg, ²⁵Mg, ²⁶Mg), wapń (⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca) oraz cynę (¹¹²Sn, ¹¹⁴Sn, ¹¹⁵Sn, ¹¹⁶Sn, ¹¹⁷Sn, ¹¹⁸Sn, ¹¹⁹Sn, ¹²⁰Sn, ¹²²Sn, ¹²⁴Sn).
Izotopy tlenu. Źródło: shutterstock
Właściwości izotopów
Izotopy (gr. ísos - równy, tópos – miejsce) są nuklidami, czyli rodzajami jąder zawierającymi równą liczbę protonów (jednakową liczbę atomową, Z) oraz różną liczbę neutronów, czego konsekwencją są różnice w łącznej liczbie nukleonów (protonów i neutronów) (opisywanej liczbą masową, A). Nuklidy posiadające taką samą liczbę atomową są nuklidami tego samego pierwiastka chemicznego (nuklidy izotopowe) i zajmują ściśle określone miejsce w układzie okresowym. Pierwiastkiem posiadającym kilka rodzajów nuklidów izotopowych jest wodór (występujący w przyrodzie jako mieszanina dwóch izotopów trwałych – wodoru-1, czyli protu (¹H) (1 proton) (99,985%) i wodoru-2, czyli deuteru (²H) (1 proton, 1 neutron) (0,015%) oraz śladowych ilości nietrwałego wodoru-3, czyli trytu (³H) (1 proton, 2 neutrony); i węgiel, który stanowi mieszaninę dwóch izotopów trwałych – węgla-12 (¹²C) (6 protonów, 6 neutronów) (98,89%) i węgla-13 (¹³C) (6 protonów, 7 neutronów) (1,11%) oraz śladowych ilości izotopu promieniotwórczego – węgla-14 (¹⁴C) (6 protonów, 8 neutronów).
Wodór i węgiel występujące naturalnie w przyrodzie stanowią mieszaninę izotopów trwałych oraz izotopów promieniotwórczych. Źródło: shutterstock
- Ar – względna masa atomowa pierwiastka [u],
- m – względna masa atomowa izotopów pierwiastka chemicznego [u],
- x – udział procentowy izotopów w mieszaninie [%].
Względna masa atomowa węgla (C) stanowi średnią ważoną mas atomowych trwałych izotopów tego pierwiastka – węgla-12 (¹²C) (98,89%) i węgla-13 (¹³C) (0,015%) z pominięciem śladowych ilości nietrwałego węgla-14 (¹⁴C):
Względna masa atomowa chloru (Cl) jest średnią ważoną mas atomowych trwałych izotopów tego pierwiastka z uwzględnieniem ich udziału procentowego. Źródło: shutterstock
Zależność tą, określaną mianem efektu izotopowego, można zaobserwować w przypadku wodoru. Izotopy tego pierwiastka cechują się znacznymi różnicami masy atomowej, co wynika z różnej ilości neutronów w ich jądrach (masy atomowe deuteru ²H i trytu ³H są odpowiednio dwukrotnie i trzykrotnie większe od masy atomowej protu ¹H). Różnica masy atomowej protu i deuteru wpływa m.in. na różnice miedzy gęstością, temperaturą wrzenia i topnienia wody (H₂O) oraz wody ciężkiej (D₂O). Izotopy promieniotwórcze (radionuklidy). Izotopy promieniotwórcze, zwane także radionuklidami bądź radioizotopami, są nietrwałymi nuklidami ulegającymi samorzutnemu rozpadowi promieniotwórczemu, któremu towarzyszy emisja promieniowania jonizującego – strumienia cząstek α (czyli jąder atomów helu ⁴He) (promieniowanie α), ujemnie naładowanych elektronów (promieniowanie β⁻) lub dodatnich pozytonów (promieniowanie β⁺) i krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego w postaci strumienia fotonów (promieniowanie γ). Rozpad promieniotwórczy może prowadzić do zmiany liczby protonów w jądrze, czyli przekształcenia rozpadającego się atomu w atom innego pierwiastka, jak ma to miejsce podczas rozpadu alfa (przemiany α) uranu-238 (²³⁸U), toru-232 (²³²Th) bądź radu-226 (²²⁶Ra):
Zastosowania izotopów promieniotwórczych
Izotopy promieniotwórcze pochodzenia naturalnego (radionuklidy naturalne) i wytworzone metodami fizyki jądrowej (radionuklidy sztuczne) wykorzystywane są w powszechnie w wielu dziedzinach nauki, medycynie, technice, energetyce i przemyśle. Radionuklidy, np. węgiel-14 (¹⁴C), stanowią znaczniki izotopowe w badaniach chemicznych (np. analizie radiochemicznej, badaniu mechanizmu reakcji chemicznych) i biologii (np. badaniu procesów metabolicznych, badaniu obiegu mikroelementów w przyrodzie, określaniu wpływu pestycydów i nawozów mineralnych na środowisko naturalne i organizmy żywe). Izotopy promieniotwórcze wielu pierwiastków, np. fosfor-32 (³²P), kobalt-60 (⁶⁰Co), molibden-99 (⁹⁹Mo), technet-99m (99mTc) i izotopy jodu (¹²³I, ¹²⁴I, ¹²⁵I, ¹³¹I) wykorzystywane są w medycynie do diagnozowania schorzeń narządów wewnętrznych (np. mózgu, serca, płuc, wątroby, nerek, tarczycy) i nowotworów mózgu, kości i stawów; badania krwi; leczenia zmian i chorób nowotworowych (radioterapii). Radionuklidy mają także zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Cez-137 (¹³⁷Cs) i iryd-192 (¹⁹²Ir) używane są do badania stanu technicznego i wykrywania wad materiałowych urządzeń przemysłowych (defektoskopia); kobalt-60 (⁶⁰Co) stosowany jest w procesie radiacyjnego utrwalania żywności; uran-235 (²³⁵U) stanowi źródło energii w elektrowniach jądrowych; ameryk-241 (²⁴¹Am) jest składnikiem czujników chemicznych wykrywających śladowe ilości metali ciężkich w wodzie. Węgiel-14 (¹⁴C) wykorzystywany jest w archeologii i paleontologii do określania wieku materiałów pochodzenia organicznego (tzw. datowanie radiowęglowe).
Diagnostyka zmian nowotworowych w obrębie szkieletu z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych. Źródło: shutterstock
Bibliografia
- Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson; “Biologia Campbella”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020. ;
- Loretta Jones, Peter Atkins; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
- Norman Neill Greenwood, Alan Earnshaw, Butterworth-Heinemann; “Chemistry of the Elements (2nd ed.)”; Oxford 1997;
- Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry ”; Oxford University Press, 2017.;
- K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger; “Nowoczesne kompendium chemii ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
- Adam Bielański ; “Podstawy chemii nieorganicznej Tom I”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.;
- promil
