15.E: Ядерна хімія (вправи)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22422

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

15.1: Радіоактивність

Q15.1.1

Визначте радіоактивність.

С15.1.1

Радіоактивність - це спонтанне випромінювання частинок і електромагнітне випромінювання від ядер нестабільних атомів.

Q15.1.2

Наведіть приклад радіоактивного елемента. Як дізнатися, чи є він радіоактивним?

Q15.1.3

Скільки протонів і нейтронів в кожному ізотопі?

\(_{5}^{11}\textrm{B}\)
\(_{13}^{27}\textrm{Al}\)
\(_{}^{56}\textrm{Fe}\)
\(_{}^{224}\textrm{Rn}\)

С15.1.3

5 протонів; 6 нейтронів
13 протонів; 14 нейтронів
26 протонів; 30 нейтронів
86 протонів; 138 нейтронів

Q15.1.4

Скільки протонів і нейтронів в кожному ізотопі?

\(_{1}^{2}\textrm{H}\)
\(_{48}^{112}\textrm{Cd}\)
\(_{}^{252}\textrm{Es}\)
\(_{}^{40}\textrm{K}\)

Q15.1.5

Опишіть альфа-частинку. Якому ядру це еквівалентно?

С15.1.5

Альфа-частинка являє собою сукупність двох протонів і двох нейтронів і еквівалентна гелієвому ядру.

Q15.1.6

Опишіть бета-частинку. Якій субатомній частинці вона еквівалентна?

Q15.1.7

Що таке гамма-промені?

С15.1.7

Гамма-промені - це електромагнітне випромінювання високої енергії, що виділяється при радіоактивному розпаді.

Q15.1.8

Чому недоречно називати гамма-промені «гамма-частинками»?

Q15.1.9

Плутоній має атомний номер 94. Напишіть ядерне рівняння для емісії альфа-частинок плутонію-244. Що таке дочірній ізотоп?

С15.1.9

\(_{94}^{244}\textrm{Pu}\rightarrow \: _{92}^{240}\textrm{U}+\: _{2}^{4}\textrm{He}\)

дочірній ізотоп:\(_{}^{240}\textrm{U}\)

КВ 15.1.10

Франціум має атомний номер 87. Напишіть ядерне рівняння для емісії альфа-частинок францію-212. Що таке дочірній ізотоп?

С15.1.11

\(_{50}^{121}\textrm{Sn}\rightarrow \: _{51}^{121}\textrm{Sb}+\: _{-1}^{0}\textrm{e}\)

дочірній ізотоп:\(_{}^{121}\textrm{Sb}\)

Q15.1.11

Олово має атомний номер 50. Напишіть ядерне рівняння для емісії бета-частинок олова-121. Що таке дочірній ізотоп?

Q15.1.12

Технецій має атомний номер 43. Напишіть ядерне рівняння для емісії бета-частинок технецію-99. Що таке дочірній ізотоп?

Q15.1.13

Енергії гамма-променів зазвичай виражаються в одиницях мегаелектронних вольт (МеВ), де 1 МеВ = 1,602 × 10 ⁻¹³ Дж. Використовуючи дані, надані в тексті, обчислюють енергію в мегаелектронних вольтах гамма-променя, що випромінюється при розпаді радону-222.

С15.1.13

0.51 МеВ

Q15.1.14

Гамма-промінь, що випромінюється, коли кисень-19 виділяє бета-частинку, становить 0,197 МеВ. Яка його енергія в джоулі? (Див. вправу 13 для визначення мегаелектронного вольта.)

Q15.1.15

Що проникає в речовину глибше - альфа-частинки або бета-частинки? Запропонуйте способи захисту від обох частинок.

С15.1.15

Бета-частинки проникають більше. Товста стінка інертної речовини достатня, щоб перекрити обидві частинки.

КВ 15.1.16

Що проникає в речовину глибше - альфа-частинки або гамма-промені? Запропонуйте способи убезпечити себе від обох викидів.

Q15.1.17

Визначте ядерний поділ.

С15.1.17

Ядерний поділ - це розпад великих ядер на більш дрібні ядра, як правило, з виділенням зайвих нейтронів.

Q15.1.18

Яка загальна характеристика зазвичай необхідна для того, щоб ядро зазнало спонтанного поділу?

15.2: Період напіврозпаду

Q15.2.1

Чи всі ізотопи мають період напіврозпаду? Поясніть свою відповідь.

С15.2.1

Тільки радіоактивні ізотопи мають період напіврозпаду.

Q15.2.2

Що є більш радіоактивним - ізотоп з тривалим періодом напіврозпаду або ізотоп з коротким періодом напіврозпаду?

Q15.2.3

Скільки часу потрібно, щоб 1,00 г паладію-103 розпався до 0,125 г, якщо його період напіврозпаду становить 17,0 д?

S15.2.3

51,0 д

Q15.2.4

Скільки часу потрібно для 2,00 г ніобію-94 до розпаду до 0,0625 г, якщо його період напіврозпаду становить 20,000 у?

Q15.2.5

Знадобилося 75 у для 10,0 г радіоактивного ізотопу розпаду до 1,25 м Який період напіврозпаду цього ізотопу?

С15.2.5

25 г

Q15.2.6

Знадобилося 49,2 с для 3.000 г радіоактивного ізотопу розпаду до 0,1875 м Який період напіврозпаду цього ізотопу?

Q15.2.7

Напівжиття америцію-241 становить 432 р Якщо 0,0002 г америцію-241 присутній в детекторі диму на дату виготовлення, яка маса америцію-241 присутній через 100,0 у? Після 1,000.0 років?

С15.2.7

0.000170 г; 0.0000402 г

Q15.2.8

Якщо період напіввиведення тритію (водню-3) становить 12,3 у, скільки 0,00444 г зразка тритію присутній через 5,0 у? Після 250.0 г?

Q15.2.9

Поясніть, чому сума, що залишилася після 1,000,0 у Вправі 7, не становить однієї десятої від суми, присутньої після 100,0 у, незважаючи на те, що кількість пройденого часу в 10 разів більше.

С15.2.9

Радіоактивний розпад - експоненціальний процес, а не лінійний процес.

КВ 15.2.10

Поясніть, чому сума, що залишилася після 250,0 у у Вправі 8, не становить однієї п'ятдесятої від суми, присутньої після 5.0 у, незважаючи на те, що кількість пройденого часу в 50 разів більше.

КВ 15.2.11

Артефакт, що містить вуглець-14, містить в ньому 8,4 × 10 ⁻⁹ г вуглецю-14. Якщо вік артефакту становить 10,670 у, скільки вуглецю-14 він мав спочатку? Період напіввиведення вуглецю-14 становить 5730 у.

С15.2.11

3,1 × 10 ⁻⁸ г

КВ 15.2.12

Вуглець-11 - радіоактивний ізотоп, який використовується в позитронно-емісійної томографії (ПЕТ) скануванні для медичної діагностики. Позитронна емісія - ще один, хоча і рідкісний, вид радіоактивності. Період напіввиведення вуглецю-11 становить 20,3 хв. Якщо 4,23 × 10 ⁻⁶ г вуглецю-11 залишилося в організмі через 4,00 ч, то яка маса вуглецю-11 була присутня спочатку?

15.3: Одиниці радіоактивності

Q15.3.1

Визначте читач.

С15.3.1

одиниця радіоактивного опромінення, що дорівнює 0,01 Дж енергії на грам тканини

Q15.3.2

Визначте rem.

Q15.3.3

Чим беккерель відрізняється від кюрі?

С15.3.3

Беккерель - це 1 розпад /с, тоді як кюрі - 3,7 × 10 ¹⁰ розпадів/с.

Q15.3.4

Визначте кюрі.

Q15.3.5

Зразок радонового газу має активність 140,0 мКі. Якщо період напіввиведення радону становить 1500 у, скільки часу до активності проби становить 8,75 мКі?

С15.3.5

6,0 × 10 ³ роки

Q15.3.6

Зразок курію має активність 1600 Бк. Якщо період напіввиведення курію становить 24,0 с, як довго до його активності 25,0 Бк?

Q15.3.7

Якщо радіоактивний зразок має активність 65 мкCi, скільки відбувається розпадів в секунду?

С15.3.7

2,41 × 10 ⁶ розпусків в секунду

Q15.3.8

Якщо радіоактивний зразок має активність 7,55 × 10 ⁵ Бк, скільки відбувається розпадів в секунду?

Q15.3.9

Зразок фтору-20 має активність 2,44 мКі. Якщо його період напіввиведення становить 11,0 с, яка його активність після 50,0 с?

С15.3.9

0,104 мкі

Q15.3.10

Стронцій-90 має період напіввиведення 28,1 у Якби 66,7 Бк чистого стронцію-90 було дозволено розпаду протягом 15,0 у, якою була б активність залишився стронцію-90?

Q15.3.11

Скільки часу потрібно 100.0 мКi фтору-20, щоб розпастися до 10,0 мКі, якщо його період напіврозпаду становить 11,0 с?

Q15.3.12

Технецій-99 використовується в медицині як джерело випромінювання. Типова доза становить 25 мКи. Скільки часу потрібно, щоб активність зменшилася до 0.100 МКi? Період напіввиведення ⁹⁹ Тк становить 210 000 у.

Q15.3.13

Опишіть, як визначається радіаційне опромінення в ремс.

С15.3.13

за допомогою плівкового значка, який піддається випромінюванню, або лічильника Гейгера

Q15.3.14

Що сприяє більшій мірі впливу - альфа- або бета-частинок? Чому?

Q15.3.15

Використовуйте таблицю 15.4.2, щоб визначити, які джерела радіаційного опромінення неминучі, а яких можна уникнути. Який відсоток випромінювання неминучий?

С15.3.14

Радіоактивні атоми в організмі, більшості земних джерел, космічних джерел і ядерних джерел енергії, ймовірно, неминучі, що становить близько 27% від загального опромінення. Якщо додати вплив радонового газу, загальна неминуча експозиція збільшується до 82%.

КВ 15.3.16

Назвіть два ізотопи, які сприяють радіоактивності в наших тілах.

Q15.3.17

Поясніть, як працює значок фільму для виявлення радіації.

С15.3.17

Плівка піддається впливу випромінювання. Чим більше радіаційної плівки піддається, тим більше вона стає оголеною.

Q15.3.18

Поясніть, як працює лічильник Гейгера для виявлення радіації.

15.4: Використання радіоактивних ізотопів

Q15.4.1

Визначте трейсер і наведіть приклад того, як працюють трасери.

С15.4.1

Трасер - це радіоактивний ізотоп, який можна виявити далеко від його первісного джерела, щоб простежити шлях певних хімічних речовин. Водень-3 можна використовувати для відстеження шляху води під землею.

Q15.4.2

Назвіть два ізотопи, які були використані як трасери.

КВ 15.4.3

Поясніть, як працює радіоактивне датування.

С15.4.3

Якщо відома початкова кількість радіоактивного ізотопу, то, виміряючи кількість ізотопу, що залишився, людина може обчислити, скільки років тому об'єкту, оскільки він зайняв ізотоп.

Q15.4.4

Назвіть два ізотопи, які були використані в радіоактивних датуваннях.

Q15.4.5

Поточна швидкість розпаду для вуглецю-14 становить 14,0 Бк. Виявлено, що зразок спаленої деревини, виявлений в археологічних розкопках, має швидкість розпаду вуглецю-14 3,5 Бк. Якщо період напіввиведення вуглецю-14 становить 5,730 у, приблизно скільки років зразку деревини?

С15.4.5

11 500 г

Q15.4.6

Невеликий астероїд врізається на Землю. Після хімічного аналізу встановлено, що він містить 1 г технецію-99 на кожні 3 г рутенію-99, його дочірнього ізотопу. Якщо період напіврозпаду технецію-99 становить 210 000 у, приблизно скільки років астероїду?

Q15.4.7

У чому позитивний аспект опромінення їжі?

С15.4.7

збільшений термін зберігання (відповіді будуть відрізнятися)

Q15.4.8

Що таке негативний аспект опромінення їжі?

Q15.4.9

Опишіть, як йод-131 використовується як для діагностики, так і для лікування проблем зі щитовидною залозою.

С15.4.9

Щитовидна залоза поглинає більшу частину йоду, дозволяючи знімати його для діагностичних цілей або переважно опромінювати для цілей лікування.

КВ 15.4.10

Перерахуйте щонайменше п'ять органів, які можуть бути зображені за допомогою радіоактивних ізотопів.

КВ 15.4.11

Які радіоактивні викиди можуть бути використані терапевтично?

С15.4.11

гамма-промені

КВ 15.4,12

Який ізотоп використовується в терапії насамперед для його гамма-випромінювання?

15.5: Атомна енергетика

Q15.5.1

Згідно з рівнянням Ейнштейна, перетворення 1,00 г речовини в енергію генерує скільки енергії?

С15.5.1

9,00 × 10 ¹³ Дж

Q15.5.2

Скільки речовини потрібно перетворити в енергію, щоб забезпечити 400 кДж енергії, приблизну енергію 1 моль зв'язків С—Н? Який висновок дає це про енергетичні зміни хімічних реакцій?

Q15.5.3

При мимовільному поділі свинця-208 відбувається\[_{}^{208}\textrm{Pb}\rightarrow \: _{ }^{129}\textrm{I}\: +\: _{ }^{76}\textrm{Cu}\: +\: 3_{ }^{1}\textrm{n}\] наступна реакція: На кожен моль свинцю 208, який розпадається, втрачається 0,1002 г маси. Скільки енергії віддається на один моль відреагував свинцю-208?

С15.5.3

9,02 × 10 ¹² Дж

Q15.5.4

При мимовільному поділі радію-226 відбувається наступна реакція:\[_{}^{226}\textrm{Ra}\rightarrow \: _{ }^{156}\textrm{Pm}\: +\: _{ }^{68}\textrm{Co}\: +\: 2_{ }^{1}\textrm{n}\] на кожен моль радію-226, який розпадається, втрачається 0,1330 г маси. Скільки енергії віддається на моль реагував радію-226?

Q15.5.5

Перерахуйте кількість енергії з вправи 3 в перерахунку на кількість грамів відреагували свинцю - 208.

С15.5.5

4,34 × 10 ¹⁰ Дж/г

Q15.5.6

Перерахуйте кількість енергії з вправи 4 в перерахунку на кількість відреагував грамів радію-226.

Q15.5.7

Яка енергетична зміна цієї реакції поділу? Маси в грамах передбачені. \[\underset{241.0569}{_{ }^{241}\textrm{Pu}}\rightarrow \: \underset{139.9106}{_{ }^{140}\textrm{Ba}}\: +\: \underset{89.9077}{_{ }^{90}\textrm{Sr}}\: +\: \underset{11\times 1.0087}{11_{ }^{1}\textrm{n}}\]

С15.5.7

−1,28 × 10 ¹³ Дж

Q15.5.8

Яка енергетична зміна цієї реакції поділу? Маси в грамах передбачені. \[\underset{247.0704}{_{ }^{247}\textrm{Cm}}\rightarrow \: \underset{106.9099}{_{ }^{107}\textrm{Ru}}\: +\: \underset{130.9085}{_{ }^{131}\textrm{Te}}\: +\: \underset{9\times 1.0087}{9_{ }^{1}\textrm{n}}\]

Q15.5.9

Два більш рідкісні ізотопи водню - дейтерію та тритію - також можуть бути сплавлені для отримання гелію наступною реакцією:\[^{2}H+^{3}H\rightarrow ^{4}\textrm{He}+^{1}n\] У ході цієї реакції втрачається 0,01888 г маси. Скільки енергії віддається в реакції 1 моль дейтерію і тритію?

С15.5.9

1,70 × 10 ¹² Дж

Q15.5.10

Вважається, що процес, який називається горінням гелію, відбувається всередині старих зірок, утворюючи вуглець:\[3^{4}He\rightarrow ^{12}C\] Якщо реакція протікає з 0.00781 г маси, втраченої на молярній основі, скільки енергії виділяється?

Q15.5.11

Коротко опишіть, як ядерний реактор виробляє електроенергію.

С15.5.11

Ядерний реактор контролює ядерну реакцію для отримання енергії в придатних кількостях. Вироблена енергія генерує пар, який використовується для повороту турбіни, яка виробляє електроенергію для загального користування.

Q15.5.12

Коротко опишіть різницю між тим, як працює ядерний реактор і як працює ядерна бомба.

Q15.5.13

Що таке ланцюгова реакція?

С15.5.13

процес, який генерує більше шляхів реакції для кожної попередньої реакції

Q15.5,14

Чому уран повинен бути збагачений для постачання ядерної енергії?

Додаткові вправи

Додаткова.1

Враховуючи, що багато елементів є металами, припустити, чому було б небезпечно мати радіоактивні матеріали в контакті з кислотами.

Екстра 1.

Кислоти можуть розчиняти багато металів; пролита кислота може призвести до забруднення.

Доп.2

Багато альфа-випромінюючих радіоактивних речовин відносно безпечні в обробці, але вдихання радіоактивного пилу може бути дуже небезпечним. Чому?

Декстра.3

Уран можна відокремити від дочірнього ізотопу торію шляхом розчинення зразка в кислоті і додавання йодиду натрію, який осаджує йодид торію (III):

\[Th^{3+}(aq)+3I^{-}(aq)\rightarrow ThI_{3}(s)\]

Якби 0,567 г ^{Th 3+} були розчинені в розчині, скільки мілілітрів 0,500 M NaI (aq) довелося б додати, щоб осад весь торій?

Секстра 3

14,7 мл

Доп.4

Оксид торію можна розчинити в кислому розчині:\[ThO_{2}(s)+4H^{+}\rightarrow Th^{4+}(aq)+2H_{2}O(l)\]
Скільки мілілітрів 1,55 М HCl (aq) потрібно для розчинення 10,65 г ThO ₂?

Доп.5

Радіоактивний стронцій небезпечний тим, що здатний хімічно замінити кальцій в організмі людини. Кістки особливо схильні до радіаційного ураження. Напишіть ядерне рівняння для бета-емісії стронцію-90.

Сектра 5.

\[_{38}^{90}\textrm{Sr}\rightarrow _{39}^{90}\textrm{Y}+_{-1}^{ 0}\textrm{e}\]

Доп.6

Напишіть ядерне рівняння для бета-емісії йоду-131, ізотопу, який використовується для діагностики та лікування проблем із щитовидною залозою.

Доп.7

Поширеною сполукою урану є гексагідрат уранілнітрату [UO ₂ (NO ₃) ₂ ⋅ 6H ₂ O]. Яка формульна маса цієї сполуки?

Секстра. 7

502,15 г/моль

Доп.8

Плутоній утворює три оксиди: PuO, PuO ₂ і Pu ₂ O ₃. Які формульні маси цих трьох сполук?

Доп.9

Банан містить 600 мг калію, 0,0117% якого становить радіоактивний калій-40. Якщо 1 г калію-40 має активність 2,626 × 10 ⁵ Бк, яка активність банана?

Сектра 9

близько 18 Бк

Доп.10

Детектори диму зазвичай містять близько 0,25 мг америцію-241 як частина механізму виявлення диму. Якщо активність 1 г америцію-241 становить 1,26 × 10 ¹¹ Бк, яка активність америцію-241 в детекторі диму?

Доп.11

Гексафторид урану (UF ₆) реагує з водою з утворенням фториду урану (UO ₂ F ₂) та HF. Збалансуйте наступну реакцію:\[UF_{6}+H_{2}O\rightarrow UO_{2}F_{2}+HF\]

Секстра. 11

\[UF_{6}+2H_{2}O\rightarrow UO_{2}F_{2}+4HF\]

Доп.12

Циклопентадієніл-аніон (C _{5 H ₅} ^{−) -} це органічний іон, який може утворювати іонні сполуки з позитивними іонами радіоактивних елементів, таких як Np ³⁺. Збалансуйте наступну реакцію:

\[NpCl_{3}+Be(C_{2}H_{5})_{2}\rightarrow Np(C_{2}H_{5})_{3}+BeCl_{2}\]

Доп.13

Якщо період напіввиведення водню-3 становить 12,3 у, скільки часу потрібно 99,0% зразка водню-3 для розпаду?

Секстра. 13

81.7 г

Доп.14

Якщо період напіввиведення вуглецю-14 становить 5730 у, скільки часу потрібно для розпаду 10,0% зразка вуглецю-14?

Доп.15

Хоча вісмут, як правило, вважається стабільним, його єдиний природний ізотоп, вісмут-209, за оцінками, має період напіврозпаду 1,9 × 10 ¹⁹ у Якщо Всесвіт, за оцінками, має життя 1,38 × ^{10 10} y, який відсоток вісмуту-209 розпався протягом життя Всесвіту? (Підказка: Будьте готові використовувати багато десяткових знаків.)

Секстра. 15

близько 0,000000005%

Доп.16

Найпоширеніший ізотоп урану (уран-238) має період напіврозпаду 4,5 × 10 ⁹ у Якщо всесвіт, за оцінками, має термін життя 1,38 × 10 ¹⁰ у, який відсоток урану-238 розпався за час життя Всесвіту?

Доп.17

Зверніться до таблиці 15.4.1 та розділіть джерела радіоактивного опромінення на добровільні та мимовільні джерела. Який відсоток радіоактивного опромінення є мимовільним?

Секстра. 17

Радіоактивні атоми в організмі, земні джерела, космічні джерела воістину мимовільні, що становить близько 27% від загальної кількості. Можна уникнути впливу радону, медичних джерел, споживчих товарів і навіть джерел ядерної енергії.

Доп.18

Посилаючись на таблицю 15.4.1, запропонуйте способи, якими практична людина може мінімізувати вплив радіоактивності.