同位素為何在週期表中共用同一位置

一個樣本含有碳-12和碳-14。其中一個原子核比另一個多兩個中子，而且碳-14具有放射性。那麼，它們是否應該出現在週期表的不同位置？

繼續閱讀前先預測一下：如果兩個原子的質量和核穩定性不同，哪一項單一特徵仍然可以使它們屬於同一元素？

答案是質子數。碳-12和碳-14都有6個質子，因此兩者都位於碳的位置，即原子序6。它們不同的中子數會改變質量和核行為，但不會改變它們的元素身分。

正是這項區別解釋了為甚麼同位素在週期表中共用同一位置。

01週期表看的是質子數

把週期表想像成一張座位表，而你的座位號碼只由一件事決定：原子核中的質子數。

碳坐在6號座位，因為每個碳原子都有6個質子。氧坐在8號座位，因為每個氧原子都有8個質子。

增加一個中子，就像你帶著一個額外的背包來到自己的座位。你變重了，但你並沒有變成另一個人，也不會因此換到另一個座位。

不過，這個比喻有其限制。中子並不只是被動的行李。改變中子數可能相當顯著地影響原子核的穩定性。

確切的規則是：

元素在週期表中的位置由其原子序決定，而原子序就是其質子數。

如果兩個原子具有相同的質子數，它們就是同一元素。

如果它們具有不同的質子數，它們就是不同元素。

02甚麼使同位素彼此不同？

同位素是同一元素的原子，它們具有相同數目的質子，但具有不同數目的中子。

例如：

三者的原子序都是6，因此三者都位於週期表中碳的位置。

它們的質量數不同，因為質量數同時計算質子和中子。

\[ A = Z + N \]

其中：

• \(A\) 是質量數，沒有單位
• \(Z\) 是原子序，等於質子數
• \(N\) 是中子數

重新排列可得：

\[ N = A - Z \]

這就是為甚麼改變中子數會改變同位素的質量，卻不會改變它在週期表中的位置。

03為甚麼同位素通常具有非常相似的化學性質

假設你比較兩個中性的氯原子：

• 氯-35有17個質子和18個中子
• 氯-37有17個質子和20個中子

預測它們的電子數。

兩個中性原子都有17個電子，因為中性原子的質子數和電子數相等。

這一點很重要，因為一般化學反應主要涉及電子，尤其是最外層電子。由於同一元素的中性同位素具有相同的質子數，因此它們也具有相同的電子數，並且具有基本上相同的電子組態。

所以，氯-35和氯-37位於週期表中的同一族，並具有極為相似的化學行為。

這是一條重要的推理鏈：

\[ \text{相同質子數} \rightarrow \text{同一元素} \rightarrow \text{週期表中的相同位置} \]

而對中性原子而言：

\[ \text{相同質子數} \rightarrow \text{相同電子數} \rightarrow \text{相同電子組態} \rightarrow \text{非常相似的化學性質} \]

非常這個詞很重要。同位素在物理性質上並非完全相同。它們不同的質量可能造成性質和反應速率上的細微差異，稱為同位素效應。不過，在HSC程度，關鍵概念是：同一元素的同位素具有基本上相同的化學性質，因為它們的電子結構相同。

若要進一步了解為甚麼電子排列會控制化學行為，請參閱HSC化學的電子組態：原子與離子。

04質量數不是週期表上印出的那個數字

這是同位素問題中最容易掉進的陷阱之一。

假設一張週期表顯示氯的相對原子質量約為 \(35.45\)。學生可能會看著這個數字說：「一個氯原子有35.45個核子。」

並不是如此。

單一原子核不可能含有0.45個核子。

週期表上顯示的相對原子質量，一般是根據該元素天然存在的各種同位素計算出的加權平均值。

相比之下，單一同位素的質量數是整數。

以氯為例：

• 氯-35的 \(A = 35\)
• 氯-37的 \(A = 37\)
• 天然存在的氯同時含有這兩種同位素，所以它的相對原子質量介乎35和37之間

因此，週期表只需要一個氯的方格。該方格中的平均原子質量概括了同位素混合物的情況，並不會因此產生另一種元素。

05核穩定性與週期表位置是兩個不同的問題

現在再次考慮碳-12和碳-14。

兩者都有6個質子，所以兩者都是碳。但是碳-12是穩定的，而碳-14具有放射性。

如果其中一個原子核穩定，而另一個不穩定，兩個原子怎麼可能仍然是同一元素？

因為元素身分和核穩定性取決於不同的因素。

元素身分取決於質子數。

核穩定性則取決於具有特定質子和中子組合的原子核能否有效地維持結合。

在原子核內，有兩種重要效應互相競爭：

• 強核力會在非常短的距離內吸引核子，也就是質子和中子
• 帶正電的質子之間存在靜電斥力

中子會對強核吸引力作出貢獻，卻不會增加額外的質子-質子靜電斥力。這是中子能夠幫助穩定原子核的原因之一。

但一個很容易產生的結論–「中子越多就一定越穩定」–是錯誤的。

原子核也可能含有不合適的過量中子。穩定原子核只存在於某些特定的中子與質子組合範圍內。偏離這些組合太遠，原子核便可能變得不穩定。

所以，碳-14不會只因為具有放射性就變成另一種元素。在它衰變之前，它仍然是碳，因為它仍含有6個質子。

06不穩定的同位素衰變時會發生甚麼？

這裡是這個概念的一個重要界線。

只改變中子數，可以產生同一元素的另一種同位素。

改變質子數，則會改變元素本身。

碳-14會發生β⁻衰變。在原子核層面，一個中子轉變成一個質子，同時放出β輻射和一個反中微子。核方程式可表示為：

\[ \ce{^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + ^0_{-1}e + \bar{\nu}_e} \]

衰變前，原子核有6個質子，所以它是碳。

衰變後，子核有7個質子，所以它是氮。

請注意真正改變週期表位置的是甚麼：不是放射性本身，而是衰變過程中的質子數改變。

由此可以得到一條實用的判斷規則：

因此，離子仍然與其中性原子位於週期表中的同一位置。失去一個電子會改變電荷，而不是質子數。

同位素也位於同一位置。改變中子數會改變質量，而不是質子數。

會改變質子數的核反應則不同。它會改變元素的身分。

07把這三個數字分清楚

大多數同位素相關的錯誤，都是因為混淆了原子序、質量數和相對原子質量。

一個快速檢驗自己思路的方法，是問：

哪一個數字告訴我有多少個質子？

就是這個數字決定元素在週期表中的位置。

08問題與解答

問題1

兩個原子分別表示為 \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) 和 \(\ce{^{65}_{29}Cu}\)。

指出它們是否位於週期表中的同一位置，並求出每個原子核中的中子數。

解答1

它們位於週期表中的同一位置，因為兩個原子核都含有29個質子。

原子序由質子數決定，因此兩個原子都是銅。

對 \(\ce{^{63}_{29}Cu}\)：

\[ N = A - Z = 63 - 29 = 34 \]

它含有34個中子。

對 \(\ce{^{65}_{29}Cu}\)：

\[ N = A - Z = 65 - 29 = 36 \]

它含有36個中子。

它們的中子數不同，所以這兩個原子是不同的同位素。它們的質子數相同，因此元素身分和週期表位置也相同。

問題2

原子X含有16個質子、18個中子和16個電子。原子Y含有16個質子、20個中子和18個電子。

判斷X和Y是否為同一元素的同位素，並解釋它們是否位於週期表中的同一位置。

解答2

X和Y是同一元素的同位素，而且位於週期表中的同一位置。

兩個粒子都含有16個質子：

\[ Z = 16 \]

原子序16是硫。

對X：

\[ A = Z + N = 16 + 18 = 34 \]

所以X是硫-34。

對Y：

\[ A = Z + N = 16 + 20 = 36 \]

所以Y含有硫-36的原子核。

Y有18個電子而不是16個，因此它是一個 \(2-\) 離子。這不會改變它所屬的元素。電子的失去或獲得會改變電荷，而質子數才決定週期表位置。

這裡的陷阱是認為電子數不同就代表不同元素。事實並非如此。X和Y都有 \(Z = 16\)，所以兩者都屬於硫的位置。

問題3

一名學生提出以下說法：

「質量數較大的同位素應該出現在週期表更右邊的位置，因為沿著同一週期向右移時，元素會變得更重。」

利用 \(\ce{^{20}_{10}Ne}\) 和 \(\ce{^{22}_{10}Ne}\) 評估這項說法。

解答3

這項說法不正確，因為週期表位置由原子序決定，而不是由質量數決定。

兩種核素都有：

\[ Z = 10 \]

所以兩者都含有10個質子，都是氖。

對 \(\ce{^{20}_{10}Ne}\)：

\[ N = 20 - 10 = 10 \]

對 \(\ce{^{22}_{10}Ne}\)：

\[ N = 22 - 10 = 12 \]

氖-22較重，因為它多了兩個中子。它不會移到週期表中的另一個位置，因為其質子數仍然是10。

這名學生觀察到，隨原子序增加，原子質量通常也會增加；但這並不是排列元素的規則。現代週期表是按照原子序遞增排列的。質量不是決定位置的座標。

問題4

一個未知原子核最初含有11個質子和13個中子。在某個核過程中，原子核內的一個中子轉變成一個質子。

比較這個過程前後的核素。指出它是否仍位於週期表中的同一位置，並解釋為甚麼只說「質量數保持不變」不足以判斷元素。

解答4

這個原子核會移到週期表中的不同位置，因為它的質子數由11變成12，即使其質量數仍然是24。

最初：

\[ Z = 11 \]

而且：

\[ N = 13 \]

所以質量數為：

\[ A = Z + N = 11 + 13 = 24 \]

原子序11是鈉，因此最初的原子核是 \(\ce{^{24}_{11}Na}\)。

當一個中子轉變成一個質子後：

\[ Z = 12 \]

而且：

\[ N = 12 \]

新的質量數仍然是：

\[ A = 12 + 12 = 24 \]

但原子序12是鎂，所以子核是 \(\ce{^{24}_{12}Mg}\)。

這裡的關鍵陷阱是把質量數當成判斷元素的依據。兩個原子核可以具有相同的質量數，但具有不同的質子數。這樣的原子核彼此不是同位素，因為同位素必須具有相同的質子數。

質量數告訴你核子的總數。原子序則告訴你是哪一種元素。

問題5

三個中性原子的原子核組成如下：

• P：8個質子和8個中子
• Q：8個質子和10個中子
• R：9個質子和9個中子

實驗顯示Q的核穩定性比P低。

一名學生因此得出結論：「Q在週期表中一定位於與P不同的區域，因為它們的原子核行為不同。」

評估這項結論。然後比較P與Q以及P與R之間預期的化學相似程度。

解答5

這項結論不正確。儘管P和Q的核穩定性不同，它們仍位於週期表中的同一位置。P和Q的化學行為也應該比P和R相似得多。

P和Q都含有8個質子：

\[ Z_P = Z_Q = 8 \]

因此，兩者都是氧的同位素。

它們的質量數分別為：

\[ A_P = 8 + 8 = 16 \]

以及：

\[ A_Q = 8 + 10 = 18 \]

所以P是氧-16，而Q是氧-18。

它們不同的中子數可以影響核質量和核穩定性，但中子數不決定元素。

由於兩個原子都是中性的，而且都有8個質子，因此每個原子也都有8個電子。它們因而具有相同的電子組態和非常相似的化學性質。

R含有9個質子：

\[ Z_R = 9 \]

所以R是氟，而不是氧。作為中性原子，它也有9個電子，因此具有不同的電子組態和不同的化學行為。

更深一層的重點是：核行為和化學身分與原子的不同部分有關。核穩定性很大程度取決於原子核內質子和中子的組合。一般化學行為則主要取決於電子排列。週期表位置透過質子數與兩者產生關聯，但它並不是由核穩定性決定的。

一旦你能把質子數、中子數、質量數和電子數清楚區分開來，理解放射性衰變就會容易得多。你可以查看一條核方程式，並立即判斷生成物是同一元素的新同位素，還是完全不同的元素。學習如何為HSC化學配平核方程式時，這就是下一個很實用的步驟。