同位素为何在周期表中共用同一位置

一个样本含有碳-12和碳-14。其中一个原子核比另一个多两个中子，而且碳-14具有放射性。那么，它们是否应该出现在周期表的不同位置？

继续阅读前先预测一下：如果两个原子的质量和核稳定性不同，哪一项单一特征仍然可以使它们属于同一元素？

答案是质子数。碳-12和碳-14都有6个质子，因此两者都位于碳的位置，即原子序6。它们不同的中子数会改变质量和核行为，但不会改变它们的元素身分。

正是这项区别解释了为甚么同位素在周期表中共用同一位置。

01周期表看的是质子数

把周期表想像成一张座位表，而你的座位号码只由一件事决定：原子核中的质子数。

碳坐在6号座位，因为每个碳原子都有6个质子。氧坐在8号座位，因为每个氧原子都有8个质子。

增加一个中子，就像你带著一个额外的背包来到自己的座位。你变重了，但你并没有变成另一个人，也不会因此换到另一个座位。

不过，这个比喻有其限制。中子并不只是被动的行李。改变中子数可能相当显著地影响原子核的稳定性。

确切的规则是：

元素在周期表中的位置由其原子序决定，而原子序就是其质子数。

如果两个原子具有相同的质子数，它们就是同一元素。

如果它们具有不同的质子数，它们就是不同元素。

02甚么使同位素彼此不同？

同位素是同一元素的原子，它们具有相同数目的质子，但具有不同数目的中子。

例如：

三者的原子序都是6，因此三者都位于周期表中碳的位置。

它们的质量数不同，因为质量数同时计算质子和中子。

\[ A = Z + N \]

其中：

• \(A\) 是质量数，没有单位
• \(Z\) 是原子序，等于质子数
• \(N\) 是中子数

重新排列可得：

\[ N = A - Z \]

这就是为甚么改变中子数会改变同位素的质量，却不会改变它在周期表中的位置。

03为甚么同位素通常具有非常相似的化学性质

假设你比较两个中性的氯原子：

• 氯-35有17个质子和18个中子
• 氯-37有17个质子和20个中子

预测它们的电子数。

两个中性原子都有17个电子，因为中性原子的质子数和电子数相等。

这一点很重要，因为一般化学反应主要涉及电子，尤其是最外层电子。由于同一元素的中性同位素具有相同的质子数，因此它们也具有相同的电子数，并且具有基本上相同的电子组态。

所以，氯-35和氯-37位于周期表中的同一族，并具有极为相似的化学行为。

这是一条重要的推理链：

\[ \text{相同质子数} \rightarrow \text{同一元素} \rightarrow \text{周期表中的相同位置} \]

而对中性原子而言：

\[ \text{相同质子数} \rightarrow \text{相同电子数} \rightarrow \text{相同电子组态} \rightarrow \text{非常相似的化学性质} \]

非常这个词很重要。同位素在物理性质上并非完全相同。它们不同的质量可能造成性质和反应速率上的细微差异，称为同位素效应。不过，在HSC程度，关键概念是：同一元素的同位素具有基本上相同的化学性质，因为它们的电子结构相同。

若要进一步了解为甚么电子排列会控制化学行为，请参阅HSC化学的电子组态：原子与离子。

04质量数不是周期表上印出的那个数字

这是同位素问题中最容易掉进的陷阱之一。

假设一张周期表显示氯的相对原子质量约为 \(35.45\)。学生可能会看著这个数字说：「一个氯原子有35.45个核子。」

并不是如此。

单一原子核不可能含有0.45个核子。

周期表上显示的相对原子质量，一般是根据该元素天然存在的各种同位素计算出的加权平均值。

相比之下，单一同位素的质量数是整数。

以氯为例：

• 氯-35的 \(A = 35\)
• 氯-37的 \(A = 37\)
• 天然存在的氯同时含有这两种同位素，所以它的相对原子质量介乎35和37之间

因此，周期表只需要一个氯的方格。该方格中的平均原子质量概括了同位素混合物的情况，并不会因此产生另一种元素。

05核稳定性与周期表位置是两个不同的问题

现在再次考虑碳-12和碳-14。

两者都有6个质子，所以两者都是碳。但是碳-12是稳定的，而碳-14具有放射性。

如果其中一个原子核稳定，而另一个不稳定，两个原子怎么可能仍然是同一元素？

因为元素身分和核稳定性取决于不同的因素。

元素身分取决于质子数。

核稳定性则取决于具有特定质子和中子组合的原子核能否有效地维持结合。

在原子核内，有两种重要效应互相竞争：

• 强核力会在非常短的距离内吸引核子，也就是质子和中子
• 带正电的质子之间存在静电斥力

中子会对强核吸引力作出贡献，却不会增加额外的质子-质子静电斥力。这是中子能够帮助稳定原子核的原因之一。

但一个很容易产生的结论–「中子越多就一定越稳定」–是错误的。

原子核也可能含有不合适的过量中子。稳定原子核只存在于某些特定的中子与质子组合范围内。偏离这些组合太远，原子核便可能变得不稳定。

所以，碳-14不会只因为具有放射性就变成另一种元素。在它衰变之前，它仍然是碳，因为它仍含有6个质子。

06不稳定的同位素衰变时会发生甚么？

这里是这个概念的一个重要界线。

只改变中子数，可以产生同一元素的另一种同位素。

改变质子数，则会改变元素本身。

碳-14会发生β⁻衰变。在原子核层面，一个中子转变成一个质子，同时放出β辐射和一个反中微子。核方程式可表示为：

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

衰变前，原子核有6个质子，所以它是碳。

衰变后，子核有7个质子，所以它是氮。

请注意真正改变周期表位置的是甚么：不是放射性本身，而是衰变过程中的质子数改变。

由此可以得到一条实用的判断规则：

因此，离子仍然与其中性原子位于周期表中的同一位置。失去一个电子会改变电荷，而不是质子数。

同位素也位于同一位置。改变中子数会改变质量，而不是质子数。

会改变质子数的核反应则不同。它会改变元素的身分。

07把这三个数字分清楚

大多数同位素相关的错误，都是因为混淆了原子序、质量数和相对原子质量。

一个快速检验自己思路的方法，是问：

哪一个数字告诉我有多少个质子？

就是这个数字决定元素在周期表中的位置。

08问题与解答

问题1

两个原子分别表示为 \(\ce{^{63}_{29}Cu}\) 和 \(\ce{^{65}_{29}Cu}\)。

指出它们是否位于周期表中的同一位置，并求出每个原子核中的中子数。

解答1

它们位于周期表中的同一位置，因为两个原子核都含有29个质子。

原子序由质子数决定，因此两个原子都是铜。

对 \(\ce{^{63}_{29}Cu}\)：

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

它含有34个中子。

对 \(\ce{^{65}_{29}Cu}\)：

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

它含有36个中子。

它们的中子数不同，所以这两个原子是不同的同位素。它们的质子数相同，因此元素身分和周期表位置也相同。

问题2

原子X含有16个质子、18个中子和16个电子。原子Y含有16个质子、20个中子和18个电子。

判断X和Y是否为同一元素的同位素，并解释它们是否位于周期表中的同一位置。

解答2

X和Y是同一元素的同位素，而且位于周期表中的同一位置。

两个粒子都含有16个质子：

\[ Z = 16 \]

原子序16是硫。

对X：

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

所以X是硫-34。

对Y：

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

所以Y含有硫-36的原子核。

Y有18个电子而不是16个，因此它是一个 \(2-\) 离子。这不会改变它所属的元素。电子的失去或获得会改变电荷，而质子数才决定周期表位置。

这里的陷阱是认为电子数不同就代表不同元素。事实并非如此。X和Y都有 \(Z = 16\)，所以两者都属于硫的位置。

问题3

一名学生提出以下说法：

「质量数较大的同位素应该出现在周期表更右边的位置，因为沿著同一周期向右移时，元素会变得更重。」

利用 \(\ce{^{20}_{10}Ne}\) 和 \(\ce{^{22}_{10}Ne}\) 评估这项说法。

解答3

这项说法不正确，因为周期表位置由原子序决定，而不是由质量数决定。

两种核素都有：

\[ Z = 10 \]

所以两者都含有10个质子，都是氖。

对 \(\ce{^{20}_{10}Ne}\)：

\[ N = 20 - 10 = 10 \]

对 \(\ce{^{22}_{10}Ne}\)：

\[ N = 22 - 10 = 12 \]

氖-22较重，因为它多了两个中子。它不会移到周期表中的另一个位置，因为其质子数仍然是10。

这名学生观察到，随原子序增加，原子质量通常也会增加；但这并不是排列元素的规则。现代周期表是按照原子序递增排列的。质量不是决定位置的座标。

问题4

一个未知原子核最初含有11个质子和13个中子。在某个核过程中，原子核内的一个中子转变成一个质子。

比较这个过程前后的核素。指出它是否仍位于周期表中的同一位置，并解释为甚么只说「质量数保持不变」不足以判断元素。

解答4

这个原子核会移到周期表中的不同位置，因为它的质子数由11变成12，即使其质量数仍然是24。

最初：

\[ Z = 11 \]

而且：

\[ N = 13 \]

所以质量数为：

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

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

当一个中子转变成一个质子后：

\[ Z = 12 \]

而且：

\[ N = 12 \]

新的质量数仍然是：

\[ A = 12 + 12 = 24 \]

但原子序12是镁，所以子核是 \(\ce{^{24}_{12}Mg}\)。

这里的关键陷阱是把质量数当成判断元素的依据。两个原子核可以具有相同的质量数，但具有不同的质子数。这样的原子核彼此不是同位素，因为同位素必须具有相同的质子数。

质量数告诉你核子的总数。原子序则告诉你是哪一种元素。

问题5

三个中性原子的原子核组成如下：

• P：8个质子和8个中子
• Q：8个质子和10个中子
• R：9个质子和9个中子

实验显示Q的核稳定性比P低。

一名学生因此得出结论：「Q在周期表中一定位于与P不同的区域，因为它们的原子核行为不同。」

评估这项结论。然后比较P与Q以及P与R之间预期的化学相似程度。

解答5

这项结论不正确。尽管P和Q的核稳定性不同，它们仍位于周期表中的同一位置。P和Q的化学行为也应该比P和R相似得多。

P和Q都含有8个质子：

\[ Z_P = Z_Q = 8 \]

因此，两者都是氧的同位素。

它们的质量数分别为：

\[ A_P = 8 + 8 = 16 \]

以及：

\[ A_Q = 8 + 10 = 18 \]

所以P是氧-16，而Q是氧-18。

它们不同的中子数可以影响核质量和核稳定性，但中子数不决定元素。

由于两个原子都是中性的，而且都有8个质子，因此每个原子也都有8个电子。它们因而具有相同的电子组态和非常相似的化学性质。

R含有9个质子：

\[ Z_R = 9 \]

所以R是氟，而不是氧。作为中性原子，它也有9个电子，因此具有不同的电子组态和不同的化学行为。

更深一层的重点是：核行为和化学身分与原子的不同部分有关。核稳定性很大程度取决于原子核内质子和中子的组合。一般化学行为则主要取决于电子排列。周期表位置透过质子数与两者产生关联，但它并不是由核稳定性决定的。

一旦你能把质子数、中子数、质量数和电子数清楚区分开来，理解放射性衰变就会容易得多。你可以查看一条核方程式，并立即判断生成物是同一元素的新同位素，还是完全不同的元素。学习如何为HSC化学配平核方程式时，这就是下一个很实用的步骤。