Übung » Basiskenntnistest - Chemie

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Isotope

 

1.     Einleitung

2.     Terminologie

3.     Analytik

4.     Anwendungen

5.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Alle Atome eines Elements haben die gleiche Ordnungs- bzw. Kernladungszahl. Diese Zahl gibt an wie viele Protonen der Kern des jeweiligen Atoms enthält. Da das jeweilige Atom, sofern es nicht ionisiert ist, elektrisch neutral vorliegt, können wir von der Anzahl der positiv geladenen Protonen auf die Anzahl der negativ geladenen Elektronen schließen. So trägt Helium mit der Ordnungszahl 2, 2 Protonen im Kern und 2 Elektronen kreisen in den Orbitalen um diesen Kern. Zu den Protonen im Kern gesellen sich jedoch noch Neutronen. Sie weisen die gleiche Masse auf wie Protonen tragen aber keine Ladung. Aus der Summe der Protonen und Neutronen ergibt sich die Massenzahl.

Elemente mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl nennt man Isotope.

2. Terminologie

Nehmen wir an wir betrachten 2 Atome, beide haben die Ordnungszahl 17, eines mit einer Massenzahl von 35, das andere mit einer Massenzahl von 37. Es handelt sich beides mal um Isotope des Chlors.

Man sagt dann in etwa:

ist Isotop zu

Offenbar definiert die Ordnungszahl, nicht aber die Massenzahl die chemischen Eigenschaften des Elements. Dem zu Folge unterscheiden sich Isotope eines Elements in ihren chemischen Merkmalen nicht. Von manchen Elementen in der Natur findet man nur ein Isotop, man spricht hierbei von „isotopenreinen“ Elementen. Meistens jedoch bestehen die natürlichen Elemente aus Gemischen mehrerer Isotope, was auch der Grund ist warum Massenzahlen im PSE ungerade sind. Massenzahlen werden über einen gewichteten Durchschnitt der bekannten Isotope eines Elements bestimmt. Wegen ihrer chemischen Ähnlichkeit sind Isotope in der Natur nicht getrennt aufzufinden.

Zum besseren Verständnis des Isotopenbegriff schauen wir uns folgendes Beispiel an. In etwa jedes 6000ste Wasserstoffatom (H) enthält noch ein Neutron in seinem Kern. Man nennt dieses Isotop auch Deuterium, noch seltener sind H-Atome mit 2 Neutronen (Tritium). Chemisch verhalten sich diese Atome alle wie Wasserstoff, sie weisen jedoch einige unterschiedliche physikalische Eigenschaften auf. Tritium ist anders als Protium und Deuterium instabil, es zerfällt mit einer Halbwertszeit von ca. 12,3 Jahren zu einem 3He Isotop, also einem stabilen Helium-Isotop mit einer Massenzahl von 3 und gibt dabei ein Antineutrino und ein Elektron ab.

Abb. 1: Isotope des Wasserstoffs

3. Analytik

Um nun aber diese Isotope selektiv voneinander trennen und isolieren zu können und sie somit technologisch nutzbar zu machen, bedarf es eines sogenannten Massenspektrometers. Dieses Gerät ermöglicht es uns zu ermitteln, welche Isotope in einem Element vorhanden sind, wie schwer sie sind und in welchem Mengenverhältnis sie vorliegen. Dies spielt vor allem bei der Festlegung der relativen Atommasse eines Elements eine wichtige Rolle, denn dazu muss das Verhältnis des natürlichen Isotopengemisches des entsprechenden Elements festgestellt werden. Durch Mittelung erhält man dann die besagte Größe.

Abb. 2: Massenspektroskopie

Quelle: http://pubs.usgs.gov/of/2001/ofr01-257/images/figure1.gif

Die zu untersuchende Substanz wird verdampft und mit einem Elektronenstrahl beschossen. Durch das Einbringen der notwendigen Energie durch den Strahl können positive Ionen (Kationen) entstehen, die durch eine angelegte elektrische Spannung in Richtung eines Spalts beschleunigt werden. Nachdem die Kationen den Spalt mit einer hohen Geschwindigkeit durchflogen haben, müssen sie ein nachgeschaltetes Magnetfeld passieren. Dieses Magnetfeld zwingt geladene Teilchen auf eine Kreisbahn, deren Radius vom Verhältnis Ladung (q) zu Masse (m) abhängt. Dieses Funktionsprinzip ermöglicht eine örtliche Auftrennung der Ionen, wobei durch Änderung der magnetischen Feldstärke jedes Ion selektiv detektiert werden kann.

4. Anwendungen

Besonders in der Chemie und in der Medizin macht man sich die Existenz bestimmter Isotope zu Nutze. In der Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen spielen Isotope eine maßgebende Rolle. Mittels Magnetresonanzspektroskopie (kurz: NMR für Nuclear Magnetic Resonance) kann man aufgrund des magnetischen Moments bestimmter Isotopen im angelegten Wechselstrommagnetfeld Informationen über die Struktur der Substanzen erhalten. Das 13C- sowie das 1H-NMR (Deuterium) sind zwei der am häufigsten angewendeten Varianten.

Wie oben kurz erwähnt, und im Kapitel „Atomphysik“ genauer ausgeführt, neigen einige Isotope zum Zerfall und emittieren dabei jeweils eine charakteristische Art Strahlung. Dieser Umstand wird in der medizinischen Forschung, aber auch klinischen Diagnostik und Therapie genutzt. Die Nuklearmedizin verwendet heute hauptsächlich drei Typen von Radionukleiden: 123I und 131I (Iod) in der Schilddrüsendiagnostik und–therapie, 99Tc (Technetium) in den meisten anderen übrigen bildgebenden, nuklearmedizinischen Verfahren. In der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) werden die Positronenstrahler 11C, 13N, 15O, sowie 18F eingesetzt.


Kontrollfragen:


1

In welchem Punkt gibt es keine Unterscheidung zwischen den Isotopen 14N und 14C?

  1. In der Neutronenzahl
  2. In der Kernladungszahl
  3. In der Massenzahl
  4. In der Elektronenzahl
  5. In der Anzahl der Schalen

Die Isotope eines Elementes haben die gleiche Ordnungszahl aber eine unterschiedliche Massenzahl. Der Unterschied der Massenzahl lässt sich durch die unterschiedlichen Neutronenzahlen begründen. Die Massenzahl der beiden Elemente hier ist 14. Da beide Elemente in der 2. Periode stehen, ist deren Hauptquantenzahl n=2 und somit haben diese Elemente noch die L-Schale.

2

Wodurch unterscheiden sich die Isotope 11C, 12C, 14C?

Die Massenzahl ist zusammengesetzt aus der Protonen- und Neutronenzahl. Isotope eines Elementes unterscheiden sich in ihrer Neutronenzahl. Daraus resultiert, dass bei einer Änderung der Neutronenzahl sich in gleicher Weise auch die Massenzahl verändern muss.

3

Welche dieser Aussagen über Isotope ist NICHT zutreffend?

Da Isotope eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen haben, unterscheidet sich auch ihre Masse. Die Isotope eines Elements, haben die gleiche Protonen- und Elektronenzahl. Die Isotope eines Elementes sind nicht im PSE aufgeführt, allerdings immer der Mittelwert der natürlich vorkommenden Isotope.

4

Welche der folgenden Aussagen zum Thema Isotope sind zutreffend?

  1. Elemente kommen in der Natur hauptsächlich isotopenrein vor.
  2. Unterschiedliche OZ und dieselbe MZ sind charakteristisch für Isotope.
  3. Das Element Wasserstoff hat genau ein Isotop und ist deshalb isotopenrein.
  4. Isotope eines Elementes haben die gleichen chemischen Eigenschaften.
  5. Das 13C sowie das 2H sind Radionukleide und werden für die Schilddrüsendiagnostik verwendet.

Die wenigsten Elemente haben natürlich vorkommend nur ein Isotop. Wasserstoff hat drei bekannte Isotope, das Protium, Deuterium und Tritium. In der Nuklearmedizin wird im Falle der Schilddrüsendiagnostik die Isotope 123Iod und 131Iod genutzt.

5

15O ist ein Isotop zu 16O, welches der prozentuell häufigste Vertreter des Elements Sauerstoff ist (Ordnungszahl=8). Wie viele Neutronen besitzt demnach  das Isotop 15O?

Da die Ordnungszahl (=Protonenzahl) 8 ist, ist die Neutronenzahl vom 16O (Massenzahl-Protonenzahl=Neutronenzahl) gleich 8. Da bei Isotopen die Ordnungszahl gleich bleibt, ist diese wieder 8. Da aber die Massenzahl um eins gesunken ist, so muss auch die Neutronenzahl um eins reduziert werden und ist somit 7.