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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 k diskutieren

k=\omega^{2}\mu

mit der Kreisfrequenz \omega und der reduzierten Masse \mu. 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 m/z von Masse m zu Ladung z 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.
  • 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)).
  • 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.
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