Chemie Grundlagen

Isotope

Du willst wissen, was es mit Isotopen auf sich hat? Dann bist du hier genau richtig, denn genau das erklären wir dir in diesem Beitrag.

Wenn du alles noch schneller verstehen willst, dann schau dir unser Video zum Thema Isotope an.

Inhaltsübersicht

Isotope einfach erklärt

Als Isotope bezeichnest du die verschiedenen Atomarten ein und desselben chemischen Elements. Die Atomarten unterscheiden sich dabei nur in der Anzahl der ungeladenen Neutronen in ihrem Atomkern. Der Begriff „Isotop“ wird immer in Bezug auf ein bestimmtes Element verwendet. Daher besitzen Isotope jeweils die gleiche Anzahl an Protonen im Atomkern.

Merke

Isotope eines Elements unterscheiden sich zwar in ihrer Massenzahl A, jedoch nicht in ihrer Kernladungszahl Z (Ordnungszahl).

Isotope Begriffsklärung und Schreibweise

Atome bestehen aus Protonen und Neutronen im Atomkern sowie Elektronen in der umliegenden Elektronenhülle. Die Anzahl an Elektronen entspricht der Anzahl an Protonen im Atomkern. Die Anzahl von Protonen im Kern bestimmt daher nicht nur die Lage eines Elements im Periodensystem , sondern auch indirekt seine chemischen Eigenschaften.

Als Isotope bezeichnest du die einzelnen Atomarten eines bestimmten Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Isotope besitzen unterschiedliche Atommassen bzw. unterscheiden sich in ihrer Massenzahl A.

Der Begriff des Isotops

Der Begriff „Isotop“ stammt von den altgriechischen Wörtern „isos“ und „topos“, die „gleich“ und „Stelle“ bedeuten. Damit bezieht sich der Begriff darauf, dass Isotope an derselben Stelle im Periodensystem zu finden sind. Das bedeutet, dass Isotope dieselbe Ordnungszahl bzw. Kernladungszahl Z haben bzw. von demselben Element stammen.

Du musst beachten, dass die Begriffe „Nuklid“ und „Isotop“ eine ähnliche Bedeutung haben. Als ein Nuklid bezeichnet du allerdings lediglich eine bestimmte Atomart, die genau durch ihre Massenzahl A und ihre Kernladungszahl Z bestimmt ist. Wenn du dagegen von einem Isotop sprichst, ist dies auf ein bestimmtes Element bezogen. Das ist bei Nukliden also nicht zwangsweise der Fall.

Isotope Unterscheidungen

Unterscheiden kannst du natürliche und künstliche Isotope sowie stabile und instabile bzw. radioaktive Isotope. Radioaktive Isotope zerfallen mit einer bestimmten Halbwertszeit zu anderen Nukliden. Das schwerste Element, bei dem alle natürlich vorkommenden Isotope stabil sind, ist Blei. 

Bei den Elementen im Periodensystem unterscheidest du außerdem sogenannte Reinelemente und Mischelemente. Reinelemente besitzen nur ein einziges natürlich vorkommendes Isotop. Das ist zum Beispiel bei Natrium der Fall. Mischelemente dagegen besitzen mehrere natürlich vorkommende Isotope. Die höchste Anzahl stabiler Isotope besitzt das Element Zinn (10 Isotope).

Schreibweise von Isotopen

Zur schriftlichen Kennzeichnung verschiedener Isotope wird in Texten und in Formeln jeweils eine bestimmte Schreibweise verwendet. Im Fließtext wird die Massenzahl A an die Elementbezeichnung angehängt. Die beiden Sauerstoffisotope werden zum Beispiel als Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 beschrieben.

In der Formelschreibweise wird die Massenzahl A als hochgestellte Zahl dem Elementsymbol \text{X} vorangestellt. Zusätzlich kann auch die Kernladungszahl Z unterhalb der Massenzahl angegeben werden. Das heißt also die Formelschreibweise ist, wie folgt:

 ^{A}\text{X} oder ^{A}_{Z}\text{X}

Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 werden in der Formelschreibweise also als ^{16}\text{O} und ^{18}\text{O} oder als ^{16}_{\hphantom{x}8}\text{O} und ^{18}_{\hphantom{x}8}\text{O} dargestellt.

Isotope Wichtige Beispiele

Es gibt eine Reihe sehr wichtige Isotope, von denen du vielleicht schon gehört hast. Dazu zählen die Isotope von Wasserstoff, Kohlenstoff und Uran.

Wasserstoff

Wasserstoff besitzt drei Isotope, die natürlich vorkommen: Protium, Deuterium und Tritium.

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Isotope des Wasserstoffs

 

Das wichtigste Isotop ist dabei Protium (Wasserstoff-1 bzw. 1H). Es besitzt nur ein Proton und kein Neutron im Atomkern und tritt mit einer Häufigkeit von 99,98% auf der Erde auf. Der Anteil an Protium überwiegt daher deutlich den Anteilen der beiden schwereren Isotope.

Deuterium (Wasserstoff-2 bzw. 2H) besitzt sowohl ein Proton und ein Neutron im Kern. In der Formelschreibweise wird statt 2H häufig das Symbol \text{D} für Deuterium verwendet. Die natürliche Häufigkeit von Deuterium liegt bei 0,015%. Eine für die chemische Analytik wichtige Deuteriumverbindung ist schweres Wasser bzw. Deuteriumoxid D2O.

Chemische Reaktionen mit D2O laufen langsamer ab als chemische Reaktionen mit „normalem“ Wasser H2O. Der Grund liegt in der höheren Atommasse der Deuteriumkerne bzw. im Auftreten des sogenannten kinetischen Isotopeneffekts. Dieser Effekt kann unter anderem auch zur Isolation von schwerem Wasser genutzt werden. Normales Wasser wird bei der Elektrolyse schneller in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten als D2O in Deuterium und Sauerstoff. Dadurch wird D2O angereichert. Neben Anwendungen in der Analytik wird schweres Wasser auch zum Beispiel in speziellen Kernreaktoren eingesetzt. Dort dient es dazu, energiereiche Neutronen abzubremsen. 

Eine vernachlässigbar geringere Häufigkeit besitzt Tritium (Wasserstoff-3 bzw. 3H), das ein Proton und zwei Neutronen besitzt. Es ist ein radioaktives Isotop und zerfällt langsam zum Nuklid Helium-3. In der Formelschreibweise wird statt 3H auch das Symbol \text{T} verwendet. Tritium findet zum Beispiel Anwendung als Leuchtmaterial auf den Zifferblättern mancher Armbanduhren.

Merke

Protium (1H) bezeichnest du auch als leichten Wasserstoff, Deuterium (2H) als schweren Wasserstoff und Tritium (3H) als überschweren Wasserstoff.

Kohlenstoff

Kohlenstoff besitzt natürlicherweise drei Isotope: Kohlenstoff-12, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14.

Mit einer Häufigkeit von 98,93% ist dabei Kohlenstoff-12 (12C) ist das am häufigsten auftretende Isotop. Kohlenstoff-13 (13C) kommt dagegen mit nur zu 1,11% in der Natur vor und Kohlenstoff-14 (14C) tritt mit einem fast vernachlässigbaren Anteil auf.

Das Isotop Kohlenstoff-12 ist von wichtiger Bedeutung für die Definition der atomaren Masseneinheit: Ein Zwölftel der Masse eines 12C-Atoms definiert genau eine Masse von 1 u.

Uran

In der Natur kommt das Metall Uran zu 99,27% als das Isotop Uran-238 und nur zu 0,72% als das Isotop Uran-235 vor. Zur Kernspaltung beziehungsweise als Kernbrennstoff wird in den meisten Kraftwerken Uran mit einem erhöhten Anteil am Isotop Uran-235  benötigt. Der Prozess zur Erhöhung des Anteils an Uran-235 wird als Uran-Anreicherung bezeichnet.

Isotope Analytische Methoden

In der Analytik haben Isotope bei einer Reihe von Methoden, die wertvolle Informationen über Stoffe und Materialien liefern, eine wichtige Bedeutung. Beispiele sind die NMR-Spektroskopie, die Isotopenmarkierung und die Radiokarbonmethode.

NMR-Spektroskopie

In der NMR-Spektroskopie (Kernspinresonanzspektroskopie) spielen das Wasserstoffisotop Protium und das Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-13 eine wichtige Rolle. 1H und 13C sind die wichtigsten sogenannten NMR-aktiven Atomkerne. Sie können mit einem starken magnetischen Feld wechselwirken. In der NMR-Spektroskopie wird das zur Aufklärung der Struktur von organischen Verbindungen ausgenutzt.

Isotopenmarkierung

Bei der Isotopenmarkierung werden gezielt bestimmte Atome in einer chemischen Verbindung durch dasselbe Element aber ein anderes Isotop ersetzt. Anschließend wird die so isotopenmarkierte Verbindung in Reaktionen eingesetzt. Ob in den Reaktionsprodukten dann das Isotop nachweisbar ist oder nicht, kann zum Beispiel Aufschluss über Reaktionsmechanismen oder den Ablauf von Stoffwechselvorgängen geben.

Radiokarbonmethode

Das radioaktive Kohlenstoffisotop 14C kommt zwar nur zu einem sehr geringen Teil in der Erdatmosphäre vor, wird jedoch laufend durch den Einfluss kosmischer Strahlung nachgebildet. Der Anteil in der Atmosphäre und damit auch in lebenden Organismen ist daher konstant. Über die bekannte Halbwertszeit und den Anteil an zerfallenem Kohlenstoff-14 kann man das Alter von organischem Material bestimmen. Diese Methode wird in der Archäologie eingesetzt und nennt sich Radiokarbonmethode oder 14C-Datierung.


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