Do czego służą pierwiastki i izotopy — wyszukaj, uporządkuj, zastosuj

Ten temat różni się od pozostałych. Nie ma tu wzorów do zapamiętania — jest materiał do przeszukania i uporządkowania. Na lekcji będą Państwo pracować jak w bibliotece: szukać informacji, grupować je według wybranego kryterium i przedstawiać wnioski.

Artykuł jest do tego zestawem źródeł.

Część 1. Pierwiastki wokół nas

Metale konstrukcyjne — z czego zbudowany jest świat

Niemetale, bez których nic by nie działało

Gazy szlachetne — te, które nie reagują

Wspólny mianownik: wszystkie mają komplet elektronów na ostatniej powłoce, więc nie wchodzą w reakcje. I właśnie za ten brak reaktywności się je ceni.

Pierwiastki w organizmie

Część 2. Izotopy w praktyce

Przypomnienie: izotopy to atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów. Chemicznie zachowują się identycznie, ale niektóre mają niestabilne jądra i samorzutnie się rozpadają, wysyłając promieniowanie. Takie izotopy nazywamy promieniotwórczymi.

Okres połowicznego rozpadu to czas, po którym rozpada się połowa jąder danego izotopu.

Ta jedna wielkość decyduje o zastosowaniu. Izotop do badania tarczycy musi rozpaść się szybko, żeby pacjent nie nosił go w sobie tygodniami. Izotop do datowania znalezisk musi rozpadać się bardzo wolno, żeby dało się zmierzyć, ile go ubyło przez tysiące lat.

Najważniejsze izotopy i ich zastosowania

Jak działa datowanie węglem

Warto to rozumieć, bo to najczęściej opisywane zastosowanie izotopów.

W powietrzu stale powstaje niewielka ilość ¹⁴C i rośliny wbudowują go razem ze zwykłym węglem. Dopóki organizm żyje, stosunek ¹⁴C do ¹²C w jego tkankach jest taki sam jak w powietrzu.

Po śmierci pobieranie węgla ustaje, a ¹⁴C zaczyna się rozpadać. Mierząc, ile go zostało, oblicza się, ile czasu minęło. Co 5700 lat ubywa połowa — i stąd granica metody: po pięćdziesięciu tysiącach lat zostaje go za mało, żeby cokolwiek zmierzyć.

Tą metodą zbadano między innymi Całun Turyński, lodowego człowieka Ötziego i malowidła z jaskini Lascaux.

Polski wątek — Maria Skłodowska-Curie

Dwa pierwiastki w układzie okresowym zawdzięczamy Polce.

W 1898 roku Maria Skłodowska-Curie wraz z mężem Piotrem odkryła polon — nazwany na cześć Polski, wtedy nieistniejącej na mapie — a kilka miesięcy później rad. Oba wyodrębniła z blendy smolistej, przerabiając tonami rudę w drewnianej szopie.

Jest jedyną osobą w historii, która otrzymała Nagrodę Nobla w dwóch różnych dziedzinach nauk przyrodniczych: w 1903 roku z fizyki i w 1911 roku z chemii.

To ona wprowadziła pojęcie promieniotwórczości. W czasie I wojny światowej zorganizowała ruchome aparaty rentgenowskie dla rannych żołnierzy. Zmarła na chorobę szpiku — prawdopodobnie przez wieloletnią pracę z promieniotwórczymi substancjami bez jakichkolwiek zabezpieczeń, bo wtedy nikt jeszcze nie wiedział, że są groźne.

Część 3. Zadania — wyszukaj i uporządkuj

To jest właściwa część tego tematu. Każde zadanie polega na znalezieniu informacji i uporządkowaniu jej według podanego kryterium.

Zadanie 1 — rozejrzyj się po domu

Wypisz pięć przedmiotów z własnego domu i przy każdym podaj, z jakiego pierwiastka lub pierwiastków głównie się składa.

Przykład: łyżka — stal, czyli głównie żelazo Fe; folia aluminiowa — glin Al; przewód w lampce — miedź Cu.

Zadanie 2 — uporządkuj według kryterium

Z tabel w części 1 wybierz osiem pierwiastków i uporządkuj je w dwie grupy według wybranego przez siebie kryterium. Kryterium podaj na początku.

Możliwe kryteria: metal czy niemetal · w domu czy w przemyśle · niezbędny dla organizmu czy nie · znany od starożytności czy odkryty niedawno.

Najciekawsze w tym zadaniu jest to, że ten sam zestaw pierwiastków da się uporządkować na kilka różnych sposobów — i każdy będzie poprawny, jeśli kryterium zostało podane jasno.

Zadanie 3 — przyporządkuj izotop do zadania

Dobierz izotop do każdej sytuacji i uzasadnij wybór jednym zdaniem, odwołując się do okresu połowicznego rozpadu.

Zadanie 4 — minutowa prezentacja

Wybierz jeden pierwiastek. Znajdź o nim trzy informacje: kto i kiedy go odkrył, gdzie leży w układzie okresowym, do czego się go używa. Przedstaw to grupie w jednej minucie.

Zadanie 5 — zdania do dokończenia

1. Glinu używa się na puszki i części samolotów, ponieważ …
2. Gazy szlachetne stosuje się tam, gdzie …
3. Jod-131 nadaje się do badania tarczycy, a nie nadaje się do datowania znalezisk, ponieważ …
4. Ołów stosuje się jako osłonę przed promieniowaniem, ponieważ …

Rozwiązania zadania 5. (1) … jest bardzo lekki i nie rdzewieje, bo pokrywa się szczelną warstwą tlenku. (2) … potrzebna jest substancja, która z niczym nie zareaguje — na przykład przy spawaniu albo w szybach zespolonych. (3) … ma okres połowicznego rozpadu około 8 dni: to wystarczająco krótko, żeby szybko zniknął z organizmu pacjenta, i o wiele za krótko, żeby przetrwać tysiące lat w znalezisku. (4) … jest bardzo gęsty i dzięki temu skutecznie pochłania promieniowanie.

Rzecz, o której warto powiedzieć uczciwie

Promieniotwórczość budzi lęk i nie jest to lęk bezpodstawny — duże dawki promieniowania są groźne. Ale wniosek nie brzmi „unikać wszystkiego, co promieniotwórcze”.

Wniosek brzmi tak samo jak w całej chemii: decyduje dawka i sposób użycia. Ten sam kobalt-60, który w dużej dawce byłby zabójczy, w kontrolowanej dawce niszczy komórki nowotworowe i ratuje życie. Czujnik dymu z amerykiem wisi w milionach mieszkań i jest całkowicie bezpieczny, dopóki nikt go nie rozkręca.

Do zapamiętania

• O zastosowaniu pierwiastka decydują jego właściwości: glin bo lekki, miedź bo przewodzi, argon bo nie reaguje.
• Gazy szlachetne stosuje się właśnie dlatego, że z niczym nie reagują.
• Izotopy promieniotwórcze mają niestabilne jądra; o ich zastosowaniu decyduje okres połowicznego rozpadu.
• Krótki okres (godziny, dni) → medycyna; długi (tysiące lat) → datowanie i energetyka.
• Maria Skłodowska-Curie odkryła polon i rad oraz wprowadziła pojęcie promieniotwórczości; dwukrotna noblistka.