Isotopi: cosa sono, caratteristiche ed esempi
Non si può parlare di elementi chimici senza nominare gli isotopi. Si tratta di atomi che rappresentano la stessa sostanza ma differiscono per il numero di massa. In natura ogni elemento è presente sotto diverse forme. alcune più diffuse altre meno. Allo stesso modo gli atomi possono essere più o meno stabili, fino ad arrivare agli isotopi radioattivi.
Diffusi o in tracce, conoscerne alcuni è indispensabile. Soprattutto quelli di carbonio, idrogeno, azoto e ossigeno.
Isotopi, definizione
Ogni elemento atomico della tavola periodica è presente sotto forma di diversi isotopi. Questi hanno tutti lo stesso numero atomico Z (numero di protoni) ma differiscono invece per il numero di massa A (protoni e neutroni). Ciò determina che atomi con lo stesso numero atomico appartengano allo stesso elemento.
Isotopo deriva dall’unione delle parole greche ἴσος e τόπος. La prima significa stesso, uguale mentre la seconda vuol dire luogo. Poiché sono forme diverse della stessa sostanza pura si trovano anche nello stesso posto all’interno della tavola periodica.
La scrittura degli isotopi prevede il nome dell’elemento base + il numero di massa. Il numero di massa si riporta come apice del simbolo dell’elemento. Ad esempio l’isotopo 12 del carbonio si scrive 12C. In alcuni casi dopo il numero di massa si aggiunge il numero atomico in basso prima del simbolo della sostanza pura.
Proprietà
Gli isotopi hanno diverse caratteristiche a seconda della loro tipologia. Si possono dividere in stabili e instabili (radioattivi) come anche in naturali e artificiali. Le forme artificiali solitamente si ottengono tramite reazioni nucleari che variano i neutroni contenuti.
In natura ogni elemento è costituito da una miscela dei suoi isotopi ciascuno dei quali è presente in percentuale costante. Prendendo come esempio il caso dell’argon (simbolo Ar) esistono tre tipologie di atomi. Il più abbondante è 40Ar presente in natura al 99,60%, dopodichè vengono 36Ar, al 0,337% e infine 38Ar, diffuso al 0,063%. Questi tre atomi hanno tutti lo stesso numero atomico, 18,
Gli isotopi di un elemento differiscono per la loro forma dato che il nucleo cambia, mentre la configurazione elettronica rimane la stessa. Il numero di elettroni infatti non cambia tra un isotopo e l’altro. Considerato questo aspetto, il loro comportamento chimico sarà analogo relativamente al numero di legami che possono formare.
A cambiare sarà invece il comportamento fisico, così come la struttura e le proprietà nucleari di ogni atomo. Tuttavia, più è alto il numero di massa atomica più le proprietà risultano simili fra gli isotopi di uno stesso elemento. Le forme alternative degli atomi leggeri infatti presentano maggiori differenze fra loro.
Isotopi dell’idrogeno
Le forme non radioattive degli atomi sono circa 250 e tra i più noti ci sono quelli leggeri. Tra questi un esempio ricorrente è l’idrogeno (numero atomico 1), presente nell’ambiente in tre forme. Vale a dire prozio (1H), deuterio,(2H) e trizio, (3H). Tutti possiedono un solo protone, ma il prozio non ha neutroni, il deuterio ne possiede uno e il trizio due.
Il prozio è l’isotopo più diffuso in natura, e ammonta al 99,985% dell’idrogeno. Si trova immagazzinato soprattutto all’interno delle molecole d’acqua. Il deuterio copre il 0,015% della percentuale presente e si può produrre artificialmente con l‘acqua pesante, un liquido più densa di quello naturale. L’acqua pesante è essenziale nelle centrali nucleari a fissione che possiedono reattori della tipologia PHWR.
Infine il trizio, detto anche tritio, viene usato invece per la fusione nucleare o come tracciante in ambito militare. Si produce nell’atmosfera con l’interazione fra ozono e raggi cosmici e ricade con le precipitazioni. Particolare fama gli ha dato il film Spider-Man 2, grazie all’esperimento del Dottor Octopus (poco realizzabile ma in ogni caso…).
Tre forme per l’ossigeno
Anche l’ossigeno è presente in natura con tre diversi isotopi. I loro numeri di massa A sono 16, 17, 18. Si scriveranno quindi con le formule 16O, 17O e 18O. Ciascuno di loro presenta otto protoni all’interno del nucleo.
Il più diffuso in assoluto è l’ossigeno-16 (otto neutroni), che ha un’abbondanza del 99,762%. Seguono l’ossigeno-17 (nove neutroni) che è presente per lo 0,038% e l’ossigeno-18, diffuso per lo 0,1%. Poiché l’isotopo 16 è il più leggero nelle nuvole, nel vapore acqueo e nella pioggia è l’unica forma presente, inglobato nell’acqua come l’idrogeno.
L’ossigeno-18 è presente in tracce a livello degli oceani, soprattutto nelle zone vicino ai poli dove l’acqua è più densa per la temperatura inferiore.
