Chemische Grundlagen
Grundbegriffe der Chemie
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Viele Elemente im Periodensystem haben verschiedene Isotope. Was ein Isotop ist und welche Isotope es gibt, erklären wir dir hier und in unserem Video .

Was sind Isotope?

Isotope sind Atome eines Elements, die eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben, sich jedoch in der Anzahl von Neutronen unterscheiden. Der Unterschied der Neutronenanzahl führt zu einer unterschiedlichen Atommasse. Du kannst Isotope in langlebige (stabile) und kurzlebige (instabile) Isotope unterteilen.

Demnach haben Isotope die gleiche Ordnungszahl . Deshalb verwendest du den Begriff ‚Isotop‘ immer in Bezug auf ein bestimmtes chemisches Element.

Beispielweise gibt es drei natürliche Isotope von Kohlenstoff. Sie haben alle sechs Protonen und Elektronen, jedoch eine verschiedene Anzahl von Neutronen (6, 7 und 8) im Atomkern.

Isotop Definition

Isotope sind Atome eines chemischen Elements und haben durch unterschiedliche Anzahl von Neutronen im Atomkern verschiedene Massen.

Isotope Begriffsklärung und Schreibweise

Atome bestehen aus Protonen, Elektronen und Neutronen. Die Protonen und Neutronen befinden sich im Atomkern und haben ungefähr die gleiche Masse.

Wenn du bei einem chemischen Element die Anzahl der Neutronen erhöhst, steigt die Atommasse. Dabei bleibt die Anzahl der Elektronen und der Protonen (Ordnungszahl) gleich. Du bezeichnest das ’neue‘ Atom auch als Isotop.

Demnach besitzen Isotope unterschiedliche Atommassen bzw. unterscheiden sich in ihrer Massenzahl A . Denn die Massenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen.

Der Begriff des Isotops

Der Begriff Isotop stammt von den altgriechischen Wörtern ‚isos‘ und ‚topos‘, die ‚gleich‘ und ‚Stelle‘ bedeuten. Das bedeutet, dass du Isotope im Periodensystem immer an derselben Stelle findest. Dadurch wird deutlich, dass Isotope dieselbe Ordnungszahl bzw. Kernladungszahl Z haben und zu dem gleichen Element gehören müssen.

Du musst beachten, dass die Begriffe ‚Nuklid‘ und ‚Isotop‘ eine ähnliche Bedeutung haben. Als ein Nuklid bezeichnest 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.

Dazu betrachten wir ein Beispiel: Wenn du von einem Isotop des Elements Sauerstoff sprichst, dann meinst du kein spezielles Atom von den drei möglichen. Du benutzt es als Oberbegriff. Wenn du allerdings ein spezielles Atom wählst mit beispielsweise der Massenzahl 16 und der Ordnungszahl 8, verwendest du den Begriff Nuklid. Denn du gibst damit eindeutig an, welches Atom gemeint ist.

Isotope Unterscheidungen

Du unterscheidest Isotope grundlegend in:

  • stabile Isotope
  • instabile Isotope

Bei instabilen Isotopen zerfällt der Atomkern nach einer gewissen Zeit. Dabei entsteht radioaktive Strahlung. Deswegen nennst du instabile Isotope auch radioaktive Isotope. Radioaktive Isotope zerfallen zu anderen Nukliden.

Weiterhin kannst du die Elemente nach der Anzahl ihrer Isotope unterscheiden:

  • Reinelemente besitzen nur ein einziges natürlich vorkommendes Isotop
  • Mischelemente dagegen bestehen aus mehreren Isotopen

Im Periodensystem gibt es weniger Reinelemente als Mischelemente. Ein Beispiel für ein Reinelement ist Natrium. Das Natriumatom hat immer 11 Protonen und 12 Neutronen.

Du sprichst bei Mischelementen auch von Isotopengemischen. Das Atomgewicht eines Mischelementen setzt sich aus den Atomgewicht der einzelnen Isotope zusammen. Dabei musst du jedoch die relative Häufigkeit der Isotope berücksichtigen. Die höchste Anzahl stabiler Isotope besitzt das Element Zinn (10 Isotope).

Schreibweise von Isotopen

Zur schriftlichen Kennzeichnung verschiedener Isotope in Texten und in Formeln verwendest du jeweils eine bestimmte Schreibweise.

Im Fließtext hängst du die Massenzahl A an die Elementbezeichnung an. Die beiden Sauerstoffisotope zum Beispiel bezeichnest du im Text als Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18.

In der Formelschreibweise stellst du die Massenzahl A als hochgestellte Zahl dem Elementsymbol X voran. Zusätzlich kannst du auch die Kernladungszahl Z unterhalb der Massenzahl angeben:

 ^{A}\text{X} oder ^{A}_{Z}\text{X}

Sauerstoff-16 und Sauerstoff-18 gibst du 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} an.

Isotope Wichtige Beispiele

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

Wasserstoff

Wasserstoff hat drei Isotope, die natürlich vorkommen: Protium (Wasserstoff-1), Deuterium (Wasserstoff-2) und Tritium (Wasserstoff-3).

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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 hat eine relative Häufigkeit von 99,98%. Der Anteil an Protium überwiegt daher deutlich.

Deuterium (Wasserstoff-2 bzw. 2H) besitzt sowohl ein Proton und ein Neutron im Kern. Somit hat Deuterium das doppelte Atomgewicht von Protium. In der Formelschreibweise wird statt 2H häufig das Symbol 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 ‚leichtem‘ Wasser H2O. Das liegt an dem relativen Massenunterschied. Denn Deuterium hat die doppelte Atommasse.

Eine äußerst geringere Häufigkeit besitzt Tritium (Wasserstoff-3 bzw. 3H), dessen Atom 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 T verwendet. Tritium findet zum Beispiel Anwendung als Leuchtmaterial auf den Zifferblättern einiger 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) 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 Uran-238 und nur zu 0,72% als  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 bezeichnest du als Uran-Anreicherung.

Isotope Analytische Methoden

In der Analytik haben Isotope eine wichtige Bedeutung. Denn sie werden bei einer Reihe von Methoden verwendet, die wertvolle Informationen über Stoffe und Materialien liefern. 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.

Ihr Kernspin kann mit einem starken magnetischen Feld wechselwirken. In der NMR-Spektroskopie wird das zur Strukturaufklärung von organischen Verbindungen ausgenutzt.

Isotopenmarkierung

Bei der Isotopenmarkierung werden gezielt bestimmte Atome in einer chemischen Verbindung durch ein anderes Isotop ersetzt. Ein Beispiel eines solchen Austauschs ist der Ersatz von Sauerstoff-16 durch Sauerstoff-18.

Anschließend wird die isotopenmarkierte Verbindung in chemischen Reaktionen umgesetzt. Daraufhin kann die Position, an der sich das Isotop im Reaktionsprodukt befindet, wertvolle Hinweise geben.

Beispielsweise über den Ablauf des Reaktionsmechanismus. Außerdem kann die Isotopenmarkierung in biochemischen Prozessen Informationen über den Ablauf von Stoffwechselvorgängen liefern.

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 das Alter von organischem Material bestimmt werden. Die Methode wird in der Archäologie eingesetzt und nennt sich Radiokarbonmethode oder 14C-Datierung.

Radioaktivität

Du weißt jetzt, was ein Isotop ist und wodurch sie sich unterscheiden. Radioaktive Isotope zerfallen, wodurch andere Nuklide entstehen. Wenn du mehr über Radioaktivität wissen willst, dann schau dir jetzt unser Video dazu an!

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