Es geht immer um… Isotope?

Endlich etwas mehr Zeit für den Blog! In diesem Eintrag werden nun mehrere unterschiedliche Ideen für Einträge, die bisher nicht verwirklicht werden konnten, zusammengefasst, die Abschnitte 1 bis 3 dienen dabei der Einleitung. Im Abschnitt 4 werden einige Anwendungen vorgestellt, die wieder einmal zeigen, wie spannend Chemie sein kann.

0. Elemente…?

Eine der größten wissenschaftlichen Leistungen ist die Aufstellung des Periodensystems mit den inzwischen insgesamt 118 bekannten Elementen. Chemisch gesehen lässt sich ein Element nicht weiter auftrennen und besitzt die gleiche Zahl an Protonen und Elektronen, die charakteristisch ist. Jedoch können sich zwei Atome des gleichen Elements durchaus unterscheiden.

1. Was sind Isotope?

Nämlich in ihrer Masse, genauer gesagt in der Masse ihres Atomkerns. Zusätzlich zu den Protonen sind im Kern noch Neutronen vorhanden, die den Kern stabilisieren, keine Ladung besitzen, allerdings jeweils einen Spin von +1/2 besitzen, was später noch wichtig wird. Und die Zahl der Neutronen kann für ein und dasselbe Element in gewissen Grenzen schwanken, ohne dass das chemische Verhalten stark beeinflusst wird, weil die chemischen Eigenschaften durch die Elektronenhülle und damit durch die Ordnungszahl bedingt sind.

2. Was bedeutet der Massenunterschied?

Allerdings ist gerade bei den leichten Elementen und vor allem beim Wasserstoff ein Isotopeneffekt sichtbar bedingt durch den geringen Massenunterschied. Beim Wasserstoff geht es soweit, dass die unterschiedlichen Isotope ¹H, ²H und ³H eigene Namen und Symbole haben: Protium bzw. H, Deuterium bzw. D und Tritium bzw. T (Zur Namensgebung von Deuterium hier im Blog).

Wird eine chemische Bindung zwischen zwei Atomen A und B mit dem aus der klassischen Physik bekannten Federmodell genähert, so lässt sich leicht der Einfluss der Masse auf die Kraftkonstante der Bindung diskutieren

mit der Kreisfrequenz und der reduzierten Masse . Je größer also die Masse, desto stärker die Bindung. Zusätzlich nimmt die Masse Einfluss auf Rotation und Translation.

3. Wie können Isotopen getrennt werden?

Die Methode, die zur Trennung von Isotopen hauptsächlich zum Einsatz kommt, ist die sogenannte Massenspektrometrie. Hierbei wird die Probe ionisiert und durch einen regelbaren Elektromagneten nach dem Verhältnis von Masse zu Ladung aufgetrennt.

4. Wo ist das wichtig?

In unterschiedlichsten Bereichen sind Isotopenunterschiede wichtig:

• Ziemlich bekannt ist die Radiokarbonmethode zur Alterbestimmung von organischem Material, die auf dem Zerfall des radioaktiven Kohlenstoffsisotops ¹⁴C gegenüber dem stabilen ¹²C basiert, das durch kosmische Strahlung in geringen Mengen gebildet wird.

• Urananreicherung ist schlicht und ergreifend die Anreicherung des natürlichen Urans an ²³⁵U mittels Zentrifugation des gasförmigen UF₆ (vgl. Stuxnet). Hoch angereichertes Uran wie im Forschungsreaktor Garching verwendet ist atomwaffenfähig.

• Bei der Echtheitskontrolle von Tequila ist die unterschiedliche Isotopendiskriminierung durch C₄– und CAM-Pflanzen von Nutzen, so dass auf die Art des verwendeten, zu Alkohol vergorenen Zuckers geschlossen werden kann. Tequila muss dabei mindestens zu 51 % aus Agavenzucker bestehen.

• An der Isotopenzusammensetzung des Knochenkollagens kann die Art der Ernährung abgelesen werden, also ob hauptsächlich Fleisch oder Pflanzen als Nahrung dienten So konnte festgestellt werden, dass der bereits in vorgeschichtlicher Zeit ausgestorbene Höhlenbär sich stark pflanzlich ernährt hat (Spektrum der Wissenschaft 07/12, 36 (kostenpflichtig)).

• Fracking ist eine hoch umstrittene Methode der Erdgasförderung, die vor allem auf Grund einer möglichen Verunreinigung des Grundwassers gefürchtet ist (Link1, Link2, Link3, ausführlicher Artikel in Spektrum der Wissenschaft 08/12, 72 (kostenpflichtig)).  So unverantwortlich die Energiekonzerne hier agieren, so interessant ist die Unterscheidung von thermogenem, also unter Hitzeinwirkung in großer Tiefe entstandenem zu biogenem, oberflächennahem, von Mikroorganismen gebildetem Methan: Bei der biogenen Bildung spielt wiederum Isotopendiskriminierung eine Rolle, das Isotop ¹³C tritt seltener auf als bei thermogenem Methan (M. Schoell, Geochim. Cosmochim. Acta 1980, 44, 649 (kostenpflichtig)).

• Die Herkunft des Ötzi: Durch die Analyse radioaktiver Nuklide von Strontium und Blei und stabiler Nuklide von Sauerstoff und Kohlenstoff in Zähnen und Knochen kann recht genau der Herkunftskreis des Gletschermannes eingeengt werden, der somit beständig südlich seines Fundortes gelebt hat (W. Müller, et al., Science 2003, 203, 862 (kostenpflichtig)). Genutzt wird hierbei die lokal unterschiedliche Isotopenverteilung, die somit einen eindeutigen Schluss auf den Wohnort zulässt.

Fluor als F2 in der Natur? Ja!

Als Schüler und als Chemiestudent lernt man allenthalben, dass Fluor molekular viel zu reaktiv sei, als dass es in der Natur als F₂ vorkommen könne. Die wichtigsten Fluor haltigen Mineralien Fluorapatit, Kryolith und Fluorit (Flussspat) enthalten dementsprechend Fluorid-Ionen. Jedoch hält die Natur immer noch einen Trumpf in der Hinterhand und zeigt, es geht doch! Wie immer ist es nur eine Frage der Bedingungen. Denn es kommt jetzt Radioaktivität ins Spiel!

Durch Vergesellschaftung mit Uran haltigen Mineralien wird Flussspat energiereicher Gammastrahlung ausgesetzt und es bildet sich das Mineral „Stinkspat“, auch „Antozonit“ genannt. Die Namensgebung dieser dunklen, fast schwarzen Varietät des Flussspats rührt von dem eigentümlichen Geruch her, der bei Zerschlagung des Minerals auftritt. Die Wissenschaftsgemeinde stritt lange über die Art und Herkunft des freigesetzten Gases. Chemikern der LMU Müchen und TU München ist jetzt erstmals der direkte Nachweis gelungen, dass das Gas tatsächlich F₂ ist und im Kristall eingeschlossen bereits existiert und keineswegs beim Zerschlagen erst entsteht (J. Schmedt auf der Günne, M. Mangstl, F. Kraus, Angew. Chem. 2012, 124, 7968 (kostenpflichtig)). Untersucht wurden dabei Proben aus der „Grube Maria“, gelegen im oberpfälzischen Wölsendorf, einem bedeutenden Fundort von Stinkspat. Mit Hilfe von Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte darin eindeutig Fluor molekular als Gas nachgewiesen werden, das durch die Jahrtausende lange Bestrahlung gebildet wurde. Ebenso kann synthetischer, reiner Flussspat durch entsprechende Bestrahlung in Stinkspat überführt werden, wodurch der Bildungsmechanismus aufgeklärt werden konnte.

Die dunkle Farbe des Stinkspats rührt dabei nicht von Fluor her, sondern von Calcium-Clustern, die ebenfalls durch die natürliche Radioaktivität gebildet werden.

Die als „Very Important Paper“-gekennzeichnete Zuschrift hat es sogar auf die Titelseite der entsprechenden Ausgabe der Angewandten Chemie geschafft, zusätzlich gibt es eine Pressemeldung.

Chemisches Computerspiel: EteRNA

Die Pause war jetzt etwas lang, jedoch notwendig. Jetzt ist ChemieUnser zurück mit einem heißen Tipp für alle, die an Wissenschaft und Onlinegames interessiert sind. Nachdem Chemjobber vor einigen Wochen nur Plantville als Beispiel für ein chemisches Computerspiel eingefallen ist, so kam Wired später mit einem langen Artikel über EteRNA, dem Nachfolger des bereits in den Kommentaren bei Chemjobber genannten FoldIt.

Bei EteRNA geht es dabei darum RNA zu designen, so dass diese eine gewisse Form annimmt. RNA dient in der Zelle als Übermittler der Erbinformation und ist eine Abschrift der Erbsubstanz DNA. Die RNA-Sequenz wird anschließend im Prozess der Translation in ein Aminosäuresequenz, folglich ein Protein umgesetzt. Die Abhängigkeit der Form dieser RNA von deren Sequenz ist dabei noch weitgehend unbekannt, weshalb sich eine Kooperation der Carnegie Mellon University und der Stanford University das Prinzip des Crowdsourcing für ihre Zwecke nutzbar macht. Und obwohl sich das Prinzip etwas langweilig und simpel anhört, so ist es ein ausgezeichnetes Knobelspiel mit großem Suchtpotenzial. Während die leichten Rätsel noch mehr ein Pausenfüller sind und schnell gelöst sind, so sind die schweren Rätsel echte Herausforderungen, die auch viel Zeit in Anspruch nehmen und über ein Ausprobieren weit hinausgehen. Erfolgreiche Spieler beschreiben im Forum im Forum ihre eigenen Strategien, um die richtige Struktur zu erreichen. Von daher bietet das Spiel ambitionierten Spielern genauso etwas wie Gelegenheitsspielern und verbringt man einen Nachmittag mit dem Spiel, so ist das im Gegensatz zu anderen Casualgames keine vertane Zeit, sondern eine Art Investition in die Wissenschaft. Somit ist es auch ein Experiment, wie Bürger zur Lösung von wissenschaftlichen Problemen herangezogen werden können, indem man ihren Spieltrieb anspricht, und damit über den rein biochemischen Erkenntnisgewinn hin interessant.

Weiteres auf der Seite von EteRNA und auch in der englischen Wikipedia mit einigen Links.