Ситуационная задача по химии по теме: Изотопы

Проектирование ситуационной задачи
ФИО учителей, ОУ
Кузнецова Татьяна Александровна МБОУ Боготольская СОШ (kyzn2011@mail.ru), Зверева Инна Сергеевна МБОУ Юрьевская СОШ (yurevskaya_sosh@mail.ru)
Предметы химия
Класс 8 Тема «Изотопы»
Название задачи «Отыщи всему начало,  и ты многое поймешь»
Вопросы учащимся: - Что такое атом, из чего он состоит? Мельчайшая химически неделимая частица вещества. Состоит из протонов, нейтронов и электронов
- Число каких элементарных частиц в атоме всегда постоянно? Электронов
- Какие частицы определяют положительный заряд ядра атома? Протоны
- Какие частицы определяют основную массу ядра атома? Протоны и нейтроны
- В какой части атома сосредоточена его основная масса? В ядре
- Какими числами представлены относительные атомные массы элементов? Работа с ПСХЭ Д.И. Менделеева
Личностно – значимый познавательный вопрос Вопрос: Если масса атома определяется количеством протонов и нейтронов, массы которых выражены целым числом, то почему Аr элементов представляют собой дробные величины?
Информация по данному вопросу, представленная в разнообразном виде
Сообщение учителя. Учёные археологи и палеонтологи, изучая ископаемые остатки и периоды развития Земли, определяют возраст тех или иных вымерших Динозавров. Атомы одного и того же элемента с одинаковым зарядом ядра но имеющие разную массу позволяют с большой точностью определить когда они погибли.
У учащихся недостаточно предметных и межпредметных знаний по этому вопросу, поэтому необходимо их вывести на решение данной проблемы.
Тема урока: Изотопы.
Текст 1. Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).
Текст 2. Устойчивость ядер
Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z в атомных ядрах (N=A-Z).
Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими— HYPERLINK "http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/242844"процесс деления. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики, а первый находится в стадии разработки. Устойчивость ядер также существенно зависит от параметра— отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер, поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону.
Каждый химический элемент имеет несколько изотопов. Из-за того, что в их ядрах есть свободные нейтроны, они не всегда вступают в стабильные связи с остальными составляющими атома. Через некоторое время свободные частицы покидают ядро, из-за чего меняется его масса и физические свойства. Так образуются другие изотопы, что ведет в конце концов к образованию вещества с равным количеством протонов, нейтронов и электронов.
Те вещества, которые распадаются очень быстро, называются радиоактивными изотопами. Они выпускают в пространство большое количество нейтронов, образующих мощное ионизирующее гамма-излучение, известное своей сильной проникающей способностью, которая негативно влияет на живые организмы.

Более стойкие изотопы не являются радиоактивными, поскольку количество выделяемых ими свободных нейтронов не способно образовывать излучения и существенно влиять на другие атомы.
Достаточно давно учеными была установлена одна важная закономерность: у каждого химического элемента есть свои изотопы, стойкие или радиоактивные. Интересно, что многие из них были получены в лабораторных условиях, а их присутствие в естественном виде невелико и не всегда фиксируется приборами.
Текст 3. Радиактивность – самопроизвольное излучение атомов. РHYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82" \o "Радиоактивный элемент"адиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, например индия, калия, рубидия или кальция, одни природные изотопы стабильны, другие же радиоактивны).
Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.


Текст 4. Состав радиоактивного излучения.
Виды частиц, испускаемых при радиоактивном распаде
Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
- лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
- лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно -заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронные бета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
- лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.
При испускании ядром α- частицы массовое число ядра уменьшается на 4, а зарядовое число ядра уменьшается на 2.
При испускании ядрами β -частицы (электрона) массовое число ядра остается неизменным, а зарядовое – увеличивается на 1.
При γ-излучении ядро остается того же химического элемента с тем же массовым числом.
бета-распадомПосле β−- распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.
В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208 (посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).
Существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:



Текст 5. Период полураспада  – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Периодом полураспада для данного изотопа называют промежуток времени, в течение которого распадается половина начального числа ядер.
Период полураспада изотопа урана 23892 U равен 4,5 млрд лет, а изотопа 23592 U - 700 млн лет. Период полураспада может изменяться от миллиардных долей секунды до 1019 и более лет.
Период полураспада - T1/2, является константой для данного радиоактивного ядра (изотопа). Величина T1/2 наглядно характеризует скорость распада радиоактивных ядер и эквивалентна двум другим константам, характеризующим эту скорость: среднему времени жизни радиоактивного ядра τ и вероятности распада радиоактивного ядра в единицу времени λ.
τ=1/ λ

       Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами.
Задания на работу с данной информацией
Ознакомление Прочитайте текст 1, ответьте на вопрос:
Даны обозначения атомов элементов 2814Э, 4220Э, 4019Э, 4018Э, 4020Э. Выберете обозначения двух атомов, которые являются изотопами одного и того же элемента.
Определите число протонов и нейтронов в атомах изотопов магния - 2412Mg, 2512Mg, 2612Mg, и меди - 6329Cu, 6529Cu.
2. Причитайте текст 2, ответьте на вопрос:
2.1.
Причитайте текст, рассмотрите картинки, прокомментируйте их и составьте кластер « Радиация»
Составить схему видов радиации.
В ночь аварии на Чернобыльской АЭС наибольшие дозы облучения получили 600 человек из числа охраны нромплошадки. Эти люди подверглись сравнительно равномерному внешнему облучению всего тела. Из них у 134 человек средняя индивидуальная доза составила 3,4 Зв. У всех 134 ликвидаторов была диагностирована острая лучевая болезнь. У других ликвидаторов в первые дни после аварии средние индивидуальные дозы составили - 0,56 Зв, у пилотов вертолётов - 0,26 Зв, у персонала ЧАЭС-0,087 Зв.
ЗАДАНИЕ А. Дайте оценку полученных ликвидаторами доз облучения и тактику их дальнейшего трудоустройства и лечения. Б. Ответьте на следующие вопросы:
Какие лучевые поражения (кроме лучевой болезни) можно ожидать у людей-ликвидаторов аварии на ЧАЭС?
В. Какой термин используется в настоящее времядля регламентации облучениялюдей внашей стране? Какиекатегории облучаемых лиц установлены НРБ-99?
Ответ А. Из приведенных в задаче данных ясно, что у всех категорий аварийного персонала произошло значительное переоблучение. Предел эффективной дозы для персонала группы А не должен превышать 20 мЗв в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв за год. Таким образом, превышение индивидуальных доз составило:1 группа: 3400 мЗв : 50 мЗв = 68 раз;
2 группа: 560 мЗв : 50 мЗв = 11,2 раза;
3 группа: 260 мЗв : 50 мЗв = 5,2 раза;
4 группа: 87 мЗв : 50 мЗв = 1,7 раза.
Практика показывает, что облучение дозой 150 мЗв могут наблюдаться клинически значимые нарушения кроветворения, а доза более 1000 мЗв приводит к развитию острой лучевой болезни. В связи с этим, ликвидаторы 1 группы должны быть срочно госпитализированы и подвергнуты комплексному лечению лучевой болезни. Лица 2 и 3 групп должны быть также госпитализированы и подвергнуты динамическому обследованию с целью выявления начальных стадий нарушения процессов кроветворения и их последующего лечения и коррекции. Персонал 4 группы должны проходить динамическое наблюдение, однако при отсутствии каких либо нарушений со стороны здоровья, они могут быть допущены к продолжению работы по специальности, при условии получения ими в течение следующего года индивидуальной дозы, не превышающей 20 мЗв/год. При выявлении нарушений со стороны здоровья вопрос об их трудоустройстве должен решаться индивидуально.
Ответ Б. Кроме лучевой болезни у ликвидаторов аварии следовало ожидать: лучевые ожоги, лучевые катаракты хрусталика глаза, нарушения гемопоэза, временную или постоянную стерильность, генетические нарушения, лейкозы и опухоли.
Ответ В. В соответствии с НРБ-99 в настоящее время установлены «пределыиндивидуальных доз» облучения граждан от всех источников ионизирующих излучений.
Нормами радиационной безопасности устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:
а) персонал (группа А) - лица, работающие с техногенными источниками излучения;
б) персонал (группа Б) - лица, находящиеся по условиям работы в сфере воздействияизлучения;
в) население - все лица, включая персонал, вне работы с источникамиионизирующего излучения.
4. Причитайте текст 4, ответьте на вопросы:
4.1.В результате испускания α-частицы атомное ядро превратилось в ядро другого химического элемента. Где в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева расположен этот элемент по отношению к начальному ядру?
4.2. В результате испускания β -частицы атомное ядро превратилось в ядро другого химического элемента. Где в Периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева расположен этот элемент по отношению к начальному ядру?
4.3. Изменяется ли массовое и зарядное числа ядра при γ -излучении?
5. Причитайте текст 5, ответьте на вопросы:
5.1. Проанализируй график в тексте?
5.2. Период полураспада некоторого изотопа равен 8 ч. Какая доля от первоначального числа ядер останется через одни сутки?
Понимание Задания для групп:
1. Заполните таблицу:
химические элементы ядро оболочка ∑ ()∑ (p) ∑ (n) О В Na Hg Al 2. Определить, во сколько раз начальное количество ядер радиоактивного изотопа уменьшиться за три года, если за один год оно уменьшилось в 4 раза?
Дано Решение
t1 =1год N= N0 е-λt
t2=3года правка: -λt – степень
N0 / N1 =4 N1=N0 е -λt1
N0 / N2 =? N2 =N0 е-λt2
N0 / N1= е-λt1=4
λ=ln4/t1
N0 / N2= е-λt2= е ln4*t2/t1= е 3ln4
Ответ: N0 / N2 =64
3. Определить энергетический выход ядерной реакции
14N7 + 1H1 → 12C6 + 4He2
если энергия связи у ядер азота 115,6 МэВ, углерода-92,2 Мэв, гелия-28,3 МэВ.
Дано
Есв ( 14N7 )=115.6 МэВ.
Есв ( 12С6 )=92.2 МэВ.
Есв ( 4Не2 )=28.3 МэВ.
∆Е=?
Решение
∆Е= Есв ( 12С6 )+ Есв ( 4Не2 )- Есв (14N7 )
∆Е= 92,2+28,3-115,5=4,9 МэВ.
Ответ 4,9 МэВ.
4. Энергия связи ядра, состоящего из трех протонов и четырех нейтронов, равна 39,3 МэВ. Определить массу m нейтрального атома.
Дано: Решение:
δЕсв =39,3 МэВ Есв =[ Z mн +(A-Z) mn -m]c2
=6,288*10-22Дж. Есв/2 = Z mн +(A-Z) mn -m
Z =3 m= Z mн +(A-Z) mn - Есв/c2
N =4
mn=1.675*10-27кг.
mн=1,6736*10-27кг
m=?
5. Дополнить ядерную реакцию, протекающую под действием α-частицы:
7Li3 + 4He2 → mXn + 3He2
По закону сохранения нуклонов:
7+4=m+3; m=8
3+2=n+2; n=3
Окончательно запишем:
7Li3 + 4He2 → 8Li3 + 3He2
Применение Домашнее задание:
Приготовьте сообщения о применении изотопов в медицине, географии, биологии, археологии, технике.
Используя изученные на уроке термины: атом, ядро, оболочка, протон, нейтрон, электрон; фамилии ученых: Томсон, Резерфорд, составить кроссворд.
Анализ
Синтез Сформулируйте и обоснуйте основные правила, которые с точки зрения физики, химии и биологии обеспечат человеку радиационную безопасность
Оценка Задание:
Составьте схему применения изотопов в современном мире.