5.8: Isotopi – Quando il numero di neutroni varia

Stabilità degli isotopi

Gli atomi hanno bisogno di un certo rapporto di neutroni e protoni per avere un nucleo stabile. Avere troppi o troppo pochi neutroni rispetto ai protoni si traduce in un nucleo instabile, o radioattivo, che prima o poi si scinderà in una forma più stabile. Questo processo è chiamato decadimento radioattivo. Molti isotopi hanno nuclei radioattivi, e questi isotopi sono chiamati radioisotopi. Quando decadono, rilasciano particelle che possono essere dannose. Ecco perché gli isotopi radioattivi sono pericolosi e perché lavorare con loro richiede tute speciali per la protezione. L’isotopo del carbonio noto come carbonio-14 è un esempio di radioisotopo. Al contrario, gli isotopi del carbonio chiamati carbonio-12 e carbonio-13 sono stabili.

Tutta questa discussione sugli isotopi ci riporta alla teoria atomica di Dalton. Secondo Dalton, gli atomi di un dato elemento sono identici. Ma se gli atomi di un dato elemento possono avere un diverso numero di neutroni, allora possono avere anche masse diverse! Come ha fatto Dalton a non accorgersene? Si scopre che gli elementi che si trovano in natura esistono come miscele costanti e uniformi dei loro isotopi naturali. In altre parole, un pezzo di litio contiene sempre entrambi i tipi di litio presenti in natura (il tipo con 3 neutroni e il tipo con 4 neutroni). Inoltre, contiene sempre i due nelle stesse quantità relative (o “abbondanze relative”). In un pezzo di litio, \(93\%\) sarà sempre litio con 4 neutroni, mentre il restante \(7\%\) sarà sempre litio con 3 neutroni.

Dalton ha sempre sperimentato con grandi pezzi di un elemento – pezzi che contenevano tutti gli isotopi naturali di quell’elemento. Di conseguenza, quando eseguiva le sue misurazioni, stava effettivamente osservando le proprietà medie di tutti i diversi isotopi presenti nel campione. Per la maggior parte dei nostri scopi in chimica, faremo la stessa cosa e ci occuperemo della massa media degli atomi. Per fortuna, oltre ad avere masse diverse, la maggior parte delle altre proprietà dei diversi isotopi sono simili.

Ci sono due modi principali in cui gli scienziati mostrano spesso il numero di massa di un atomo a cui sono interessati. È importante notare che il numero di massa non è indicato sulla tavola periodica. Questi due modi includono scrivere un simbolo nucleare o dare il nome dell’elemento con il numero di massa scritto.

Per scrivere un simbolo nucleare, il numero di massa è posto in alto a sinistra (apice) del simbolo chimico e il numero atomico è posto in basso a sinistra (pedice) del simbolo. Il simbolo nucleare completo dell’elio-4 è disegnato qui sotto:

I seguenti simboli nucleari sono per un nucleo di nichel con 31 neutroni e un nucleo di uranio con 146 neutroni.

Nel nucleo di nichel rappresentato sopra, il numero atomico 28 indica che il nucleo contiene 28 protoni, e quindi, deve contenere 31 neutroni per avere un numero di massa di 59. Il nucleo di uranio ha 92 protoni come tutti i nuclei di uranio e questo particolare nucleo di uranio ha 146 neutroni.

Un altro modo di rappresentare gli isotopi è aggiungere un trattino e il numero di massa al nome o simbolo chimico. Così i due nuclei sarebbero Nickel-59 o Ni-59 e Uranium-238 o U-238, dove 59 e 238 sono i numeri di massa dei due atomi, rispettivamente. Si noti che i numeri di massa (non il numero di neutroni) sono dati a lato del nome.