學科競賽高中化學競賽基礎知識之核化學課件

核化學簡介 第12 章 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 1964年10月16日15時,中國在本國西部 地區(qū)爆炸了一顆原子彈. 蘑菇云 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 本章教學要求 3了解放射性碳-14測定年代法； 2會正確書寫核化學方程式； 1了解有關放射性核素和放射性衰變的 概念； 5簡單了解人工核反應和超鈾元素合成 的基本內容。 4了解核能和核能利用的基本概念； 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1 放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay 12.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 12.3 人工核反應和超鈾元素的 合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1.1 放射性衰變和放射系Radioactive decay and radioactivity Series 12.1.2 核化學方程、半衰期和放射性 活度 Nuclear chemical equation half-time and radioactivity 12.1.3 放射性碳-14紀年 Radiocarbon- 14 dating 12.1 放射性核素和放射性衰變 Radioactive nuclide and radioactive decay 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1.1 放射性衰變和放射系 放射性衰變 (radioactive decay)是 一種過程, 在這種過 程中, 原來的核素(母 體)或者變?yōu)榱硪环N核 素(子體), 或者進入另 一種能量狀態(tài)。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 衰變 衰變 衰變 核電荷數(shù)減少2意味著子核在元素 周期表中的位置左移2格, 叫作衰變 的位移定則。 衰變的位移定則是，子核在元素周 期表中的位置右移1格。 放射性衰變 + （高能電子波） + + （電子） 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 在自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變 關系。母體放射性核素經多代子體放射性核素最后衰變生 成穩(wěn)定核素。 放射系 (radioactive series) 鈾 系 釷 系 錒 系 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1.2 核化學方程、半衰期和放射性 活度 1. 核化學方程式 書寫核化學方程式的規(guī)則：(a) 方程式兩端 的質量數(shù)之和相等；(b) 方程式兩端的原子序數(shù) 之和相等。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 Question 1 Solution 配平下列方程式: (a) + + ? (b) + ? (c) + ? 依據配平規(guī)則可知： (a) + + (b) + (c) + 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1.2 核化學方程、半衰期和放射性 活度 2. 半衰期 1個半衰期 2個半衰期 3個半衰期 4個半衰期 放射性核素的衰變速率用半 衰期(half-life) 表示, 符號為t12。 例如, 鍶-90的衰變反應 的半衰期為29 a。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 放射性核素的半衰期短至10-6 s, 長至1015 a。 衰 變反應半衰期的一個重要特征是, 它不受外界條件( 溫度、壓力等)的影響，也不受化合狀態(tài)的影響。 化學方法可以使有毒化學制劑分解為無毒 物種，但對放射性造成的毒性卻無可奈何! 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 切爾諾貝 利4號反應堆 爆炸災難后的 幾年內，烏克 蘭014歲兒 童中甲狀腺癌 的發(fā)病人數(shù)。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 3. 放射性活度及其單位 放射性活度(activity)是通過實驗觀察得到的放射性 物質的衰變速率。 SI單位: 為Bq(貝可)，1 Bq相當于每秒發(fā)生1次衰變。 舊單位： Ci(居里) ，1 Ci 相當于每秒發(fā)生3.71010次衰 變(1 g 鐳-226的衰變速率)。 1Ci = 3.71010 Bq 比活度：指樣品中某核素的放射性活度與樣品總質量之 比，單位為Bqg-1或mCig-1等。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 檢測放射性的方法 蓋革計數(shù)器(Geiger counter)是根據受輻射氣體發(fā) 生電離而產生的離子和電子能傳導電流的原理設計的。 每個被放大了的電脈沖 即代表一次放射性記數(shù) 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.1.3 放射性碳-14紀年 方 法： 放射性碳-14測定年代法(radiocarbon-14 dating) 依 據： 衰變反應半衰期與反應物的起始濃度無關 利 比 ： 獲得1960年諾貝爾化學獎 假 定 ： 大氣中碳-14與碳-12的比值是恒定的 碳-14以5730 a 的 半衰期發(fā)生衰變 + 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 Question 2 埃及一法老古墓發(fā)掘出來的木質遺物樣 品中, 放射性碳-14的比活度為432 Bqg-1 即 s-1(gC)-1, 而地球上活體植物組織相應的比 活度則為756 Bqg-1，試計算該古墓建造的 年代。 Solution 衰變反應是: 根據一級反應的速率方程和半衰期公式: lnct( )= -kt lnc0( ) ， t1/2 = 0.693/k 得： k = 0.693/t1/2 = 0.693/5730 a = 1.2110-4 a-1 t = ln756 Bqg-1/432 Bqg-1/(1.2110-4 a-1) = 4630 a 即該古墓大約是公元前2619年建造的。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.2 核能和核能利用 Nuclear energy and use of nuclear energy 12.2.1 核素的平均結合能 Average binding energy of nuclide 12.2.2 核裂變 Nuclear fission 12.2.3 核聚變 Nuclear fusion 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.2.1 核素的平均結合能 核子之間靠核力(nuclear force)結合成原子核，核力是 核子之間的短程強吸引力，作用范圍為2 fm (10-15 m) 。 = 0.002 389 3u 減少的質量 質量虧損 (mass defect) 用m表示 E = mc2 減少的能量即核 的結合能(nuclear binding energy), 符號用EB 例如, 2H核的結合能為: EB(2H) = mc2 = 931.5 MeVu-1 0.002 389 3 u 2.225 6 MeV 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 平均結合能(average binding energy) 指核子結合為原 子核時每個核子平均釋放的能量(結合能除以質量數(shù)）。例 如 2H 核的值為1.112 8 MeV。 由于重核裂變 為較輕核和輕核聚 變?yōu)檩^重核的過程 都是放能反應, 這 種趨勢就奠定 了核能利用的 基礎。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 Question 3 Solution m = 59.9529 + 1.00783 58.9332 2.01410 = 0.01343 (g mol-1) E =mc2 = 1.343 10-5 kg mol-1 (3.00 108 m s-1)2 =1.21 109 kJ mol-1 計算反應 + + 的吸收發(fā)射能。 原子量： =58.9332， =2.01410， =59.9529， =1.00783。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.2.2 核裂變 核裂變(nuclear fission)是大核分裂為小核的過程. 普通 的核武器和核電站都依賴于裂變過程產生的能量。 1. 鈾-235的裂變與核武器 發(fā)生鏈反應 爆 炸 35 種 元 素的 200 多種 位素 同 2 3 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 足以維持鏈反應正常進行的裂變材料質量叫臨界質量 (critical mass)。 鈾-235 的臨界質量約為 1 kg，質量超過 1 kg 則發(fā)生爆炸。 任何有核反 應堆的國家都不 難得到爆炸級的 裂變材料，原子 彈的基本設計又 如此簡單，從而 為防止核武器擴 散帶來了困難。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 這是美國對日本投擲的兩顆原子彈 瘡 滿 目 痍 全世界第一次知道了什么是原子彈！ 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 2. 核反應堆 通過受控核裂變反應獲得核能的裝置，可使裂變產生 的中子數(shù)等于各種過程消耗的中子數(shù), 以形成所謂的自持 鏈反應(self-sustaining chain reaction)。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 前蘇聯(lián)于1954建成 世界上第一座核電 站；至今已有30多 個國家和地區(qū)的 400多座核電站處 在運行之中。 右圖 列出1995年一些國 家核電占各自總電 力的百分率。 第二次世界大戰(zhàn)結束后，科學家迅速將原子能的利用 轉向和平用途。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 安全方面的擔心 核廢料處理 核動力發(fā)電算得上一種清潔能源 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.2.3 核聚變 核聚變(nuclear fusion) 由兩個或多個輕核聚合形成較 重核的過程。 熱核武器 以聚變反應為基礎的核武器 氫彈就是利用裝在其內 部的一個小型鈾原子彈爆炸 產生的高溫引爆的。 40 000 000 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 18.3.1 人工核反應 Artificial nuclear reaction 18.3.2 超鈾元素的合成 Syntheses of transuranium elements 12.3 人工核反應和超鈾元素的合成 Artificial nuclear reaction and syntheses of transuranium elements 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.3.1 人工核反應 人工核反應是指原子核受中子、質子、粒子、重粒 子(例如原子核 )等轟擊而形成新核的核嬗變過程 (nuclear transmutation) 。 通式為: 式中X為靶核，a為入射粒子，Y為產物核，b為出射粒子， 通常簡寫為A1X(a,b)A3Y。 1919年盧瑟夫實現(xiàn)了第一個核嬗變反應: 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 人工核反應的實現(xiàn), 使科學家在實驗室合成已 知元素的新核素和新的化學元素成為可能 。 185Hf(1992)、208Hg(1992)、 237Th(1993)、239Pa(1995)、 175Er(1996)、235Am(1996)、 135Gd(1996)、121Ce(1997)、 186Hf(1998)、209Hg(1998)、 238Th(1999)、125Nd(1999)、 128Pm(1999)、129Sm(1999)、 139Dy(1999)、139Tb(1999)和 137Gd(1999)。 我國科學家合成的19種新核素： 90Ru(1991)和202Pt(1992) 分別由中國原子能科學研究 院（北京）和上海原子核研 究所合成。 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 12.3.2 超鈾元素的合成 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 1. 第一個“超鈾元素”（transuranium elements)的 合成 1940年 1970年 2. 第一個“超錒系元素”（transactinide elements)的 合成 合成的困難： 隨著質子數(shù)越來越多，質子間的 庫侖引力越來越大，原子核也越來越不穩(wěn)定。 + + + + +4 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 放射性的應用 射線療法 射線療法(radiation therapy)是指用 高能射線治療疾病的方法，它是 人類戰(zhàn)勝癌癥的一種重要武器。 32P 60Co 90Sr 125I 131I 14.3 d 5.26 a 28.8 a 60.25 d 8.06 d 137Cs 192Ir 198Au 222Ra 226Rn 30 a 74.2 d 2.7 d 3.82 d 1 622 a 輻射源 半衰期 輻射源 半衰期 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 放射性示蹤劑以某種化合物的形式給藥.診斷是根據這些 放射性化合物進入人體特定部位并在那些部位濃集的能力。 131I 59Fe 32P 99Tc 23Na 8.1 d 45.1 d 14.3 d 6.0 h 14.8 h 甲狀腺 紅血細胞 眼, 肝, 瘤 心臟, 骨,肝,肺 循環(huán)系統(tǒng) 輻射源 半衰期檢查部位 上頁上頁下頁下頁目錄目錄返回返回 放射性示蹤劑用于研究化學 反應機理和化合物的結構 匈牙利化學家海維西（G Hevesy）首次將放射性示蹤 劑用于化學研究，獲得了1943年諾貝爾化學獎。 亞硫酸鹽與硫磺生成硫代硫酸鹽. 產物S2O32-離子中的 兩個S原子是否處于同樣的化學環(huán)境？ 3 H2O (l) + 32SO2 (g) + 35S (s) 結果: 摻入的那個S原 子(35S)與 離子中 的那個S原子(32S)處于 不同的化學環(huán)境。 35S (s) + 32 (aq) 35S32 (aq) + 2 H3O+ (aq)