Radiochemische Analytik

Stabile und radioaktive Isotope

Wie Nuklide und Isotope aufgebaut sind und welche gängigen Isotope stabil oder radioaktiv sind.

Prüfungsrelevanz: sehr wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Isotope sind Nuklide desselben Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber verschiedener Neutronen- und Massenzahl; Radionuklide sind instabile Nuklide, die unter Strahlung zerfallen.
  • Stabile Kerne brauchen ein passendes Neutronen-Protonen-Verhältnis; oberhalb von Bismut (\(Z = 83\)) gibt es kein stabiles Nuklid mehr.
  • Radioaktiv sind \(\ce{^{3}H}\), \(\ce{^{14}C}\), \(\ce{^{40}K}\), \(\ce{^{222}Rn}\), \(\ce{^{226}Ra}\) sowie die Spaltprodukte \(\ce{^{90}Sr}\), \(\ce{^{131}I}\) und \(\ce{^{137}Cs}\).
  • Stabil sind \(\ce{^{1}H}\), Deuterium \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{12}C}\), \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{16}O}\), \(\ce{^{18}O}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\).
  • Bei der Isotopenmarkierung ersetzt man ein Atom durch ein seltenes Isotop, etwa im \(\ce{^{13}C}\)-Harnstoff-Atemtest, der ohne Strahlung auskommt.

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Worum es geht

Viele Elemente kommen als Gemisch mehrerer Isotope vor. Manche davon sind stabil, andere zerfallen. Für die Pharmazie zählt diese Unterscheidung doppelt: Radionuklide dienen in Diagnostik und Therapie, stabile Isotope als Markierung in NMR, Massenspektrometrie und Atemtests.

Nuklide und Isotope

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, zusammen Nukleonen genannt. Die Ordnungszahl \(Z\) gibt die Zahl der Protonen an und legt das Element fest. Die Massenzahl \(A\) zählt alle Nukleonen. Die Neutronenzahl \(N\) ergibt sich aus der Differenz.

\[A = Z + N\]

Geschrieben wird ein Kern als \(\ce{^{A}_{Z}X}\): Massenzahl oben links, Ordnungszahl unten links. Weil \(Z\) schon im Elementsymbol steckt, lässt man sie oft weg. Man schreibt also \(\ce{^{13}C}\) oder Kohlenstoff-13.

📖 Definition: Nuklid, Isotop, Radionuklid

Ein Nuklid ist eine Atomart mit bestimmter Protonen- und Neutronenzahl. Isotope sind Nuklide desselben Elements: gleiche Ordnungszahl, aber verschiedene Neutronen- und damit Massenzahl. Ein Radionuklid ist ein instabiles Nuklid, das spontan unter Aussendung von Strahlung zerfällt.

Wasserstoff zeigt das am einfachsten. Alle drei Isotope haben ein Proton. Protium (\(\ce{^{1}H}\)) hat kein Neutron, Deuterium (\(\ce{^{2}H}\), D) eines, Tritium (\(\ce{^{3}H}\), T) zwei. Chemisch verhalten sich Isotope fast gleich, denn die Elektronenhülle hängt nur von \(Z\) ab. Sie unterscheiden sich in Masse und Kernstabilität.

Schema der Nuklidschreibweise mit A und Z sowie drei Atomkerne des Wasserstoffs mit null, einem und zwei Neutronen

Nuklidschreibweise und die drei Wasserstoffisotope: gleiche Protonenzahl, verschiedene Neutronenzahl

Wann ist ein Kern stabil?

Protonen stoßen sich elektrisch ab. Neutronen halten den Kern über die starke Kernkraft zusammen, ohne die Abstoßung zu erhöhen. Stabil ist ein Kern daher nur bei passendem Verhältnis von Neutronen zu Protonen. Bei leichten Elementen liegt es nahe 1, etwa bei \(\ce{^{12}C}\) oder \(\ce{^{16}O}\). Schwere Kerne brauchen deutlich mehr Neutronen, Blei etwa 1,5 je Proton.

Trägt man \(N\) gegen \(Z\) auf, liegen die stabilen Nuklide auf einem schmalen Band. Es krümmt sich mit steigender Masse über die Diagonale \(N = Z\). Kerne mit zu vielen oder zu wenigen Neutronen liegen neben dem Band und zerfallen. Das Band endet bei Bismut (\(Z = 83\)). Alle Isotope von Polonium, Radon, Radium oder Uran sind radioaktiv. Wie und wie schnell sie zerfallen, zeigt die Einheit Zerfall und Halbwertszeit.

Diagramm mit Protonenzahl auf der x-Achse und Neutronenzahl auf der y-Achse, ein Band stabiler Nuklide krümmt sich oberhalb der Diagonale

Stabile Kerne liegen auf einem schmalen Band, das mit steigender Masse von N = Z abweicht

Isotopenmarkierung

Bei der Isotopenmarkierung ersetzt man in einem Molekül gezielt ein Atom durch ein seltenes Isotop. Das markierte Molekül reagiert praktisch wie das unmarkierte. Man findet es aber wieder: über seine Strahlung, wenn das Isotop radioaktiv ist. Ist es stabil, erkennt man es an Masse oder Kernspin. So verfolgt man den Weg eines Arzneistoffs im Körper oder den Ablauf einer Reaktion.

Radioaktive Isotope

Radionuklide gibt es natürlich und künstlich. Natürliche Radionuklide stammen aus der Entstehung der Erde und zerfallen extrem langsam. Oder sie bilden sich laufend neu. Künstliche Radionuklide erzeugt man im Reaktor oder Zyklotron, oder sie fallen bei der Kernspaltung an.

Zu den urtümlichen Radionukliden gehört Kalium-40. Es macht nur etwa 0,012 % des natürlichen Kaliums aus. Da Kalium in jeder Zelle steckt, ist auch der Mensch schwach radioaktiv. Radium-226 und Radon-222 sind Glieder der Uran-Zerfallsreihe. Radon ist ein Edelgas. Es tritt aus Gestein und Boden aus und sammelt sich in Kellern.

Tritium und Kohlenstoff-14 entstehen in der oberen Atmosphäre ständig neu durch kosmische Strahlung. Lebewesen bauen \(\ce{^{14}C}\) über \(\ce{CO2}\) ein, darauf beruht die Radiokarbon-Datierung. In der Arzneistoffforschung markiert man Wirkstoffe mit \(\ce{^{3}H}\) oder \(\ce{^{14}C}\). So lassen sich Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung verfolgen.

Strontium-90, Iod-131 und Caesium-137 sind Spaltprodukte. Kernwaffentests und der Reaktorunfall von Tschernobyl haben sie verbreitet. Im Körper folgen sie ihrer Chemie wie ein Untermieter, der sich als Verwandter ausgibt. Strontium ähnelt Calcium und lagert sich im Knochen ab. Caesium verteilt sich wie Kalium im Weichgewebe. Iod reichert sich in der Schilddrüse an, daher dient \(\ce{^{131}I}\) der Radioiodtherapie.

Nuklid Herkunft Bedeutung
\(\ce{^{3}H}\) (Tritium) kosmogen, künstlich Markierung von Wirkstoffen
\(\ce{^{14}C}\) kosmogen Radiokarbon-Datierung, Markierung
\(\ce{^{40}K}\) urtümlich natürliche Strahlung im Körper
\(\ce{^{90}Sr}\) Spaltprodukt lagert sich im Knochen ab
\(\ce{^{131}I}\) Spaltprodukt Schilddrüse, Radioiodtherapie
\(\ce{^{137}Cs}\) Spaltprodukt Fallout, verteilt sich wie Kalium
\(\ce{^{222}Rn}\) Uran-Zerfallsreihe Edelgas in Innenräumen
\(\ce{^{226}Ra}\) Uran-Zerfallsreihe Mutternuklid des Radons

Diese acht Nuklide solltest du sicher als radioaktiv erkennen. Achte besonders auf \(\ce{^{3}H}\) und \(\ce{^{14}C}\), weil Wasserstoff und Kohlenstoff daneben stabile Isotope haben. Welche Radionuklide die Nuklearmedizin nutzt, steht unter Radionuklide in Diagnostik und Therapie. Kalium-40 und Radon als Strahlenquellen der Umwelt behandelt die natürliche Untergrundstrahlung.

Stabile Isotope

Die Elemente der organischen Chemie bestehen in der Natur fast ganz aus stabilen Isotopen. Ihre schwereren Varianten sind selten, aber nicht radioaktiv. Entscheidend ist die genaue Massenzahl. Schon ein Neutron mehr kann aus einem stabilen Kern ein Radionuklid machen.

Element Stabile Isotope (natürlicher Anteil) Radioaktives Isotop zum Vergleich
Wasserstoff \(\ce{^{1}H}\) (99,98 %), \(\ce{^{2}H}\) (0,015 %) \(\ce{^{3}H}\)
Kohlenstoff \(\ce{^{12}C}\) (98,9 %), \(\ce{^{13}C}\) (1,1 %) \(\ce{^{14}C}\), \(\ce{^{11}C}\)
Sauerstoff \(\ce{^{16}O}\) (99,76 %), \(\ce{^{18}O}\) (0,2 %) \(\ce{^{15}O}\)
Fluor \(\ce{^{19}F}\) (100 %) \(\ce{^{18}F}\)
Chlor \(\ce{^{35}Cl}\) (ca. 76 %), \(\ce{^{37}Cl}\) (ca. 24 %) \(\ce{^{36}Cl}\)

Beim Wasserstoff sind Protium und Deuterium stabil, erst Tritium zerfällt. Beim Kohlenstoff sind \(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{13}C}\) stabil, \(\ce{^{14}C}\) ist radioaktiv. Fluor besitzt mit \(\ce{^{19}F}\) nur ein einziges natürliches Isotop. Chlor kommt als Gemisch von \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\) etwa im Verhältnis 3 : 1 vor. Das ergibt das typische Isotopenmuster im Massenspektrum.

🎯 Examensrelevant: Stabile Isotope erkennen

Sicher als stabil einordnen solltest du \(\ce{^{1}H}\), \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{12}C}\), \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{16}O}\), \(\ce{^{18}O}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\). Achte auf die Massenzahl: Bei Wasserstoff ist erst \(\ce{^{3}H}\), bei Kohlenstoff erst \(\ce{^{14}C}\) radioaktiv.

⚠️ Achtung: Massenzahl 18

\(\ce{^{18}O}\) ist stabil, \(\ce{^{18}F}\) dagegen radioaktiv. Gerade das kurzlebige \(\ce{^{18}F}\) steckt im PET-Tracer FDG, das stabile Fluorisotop ist \(\ce{^{19}F}\).

Raster aus Elementkacheln, in denen stabile Isotope grün und radioaktive Isotope orange markiert sind

Stabil oder radioaktiv: die wichtigsten Isotope nach Element geordnet

Stabile Isotope als Markierung

Stabile Isotope verraten sich nicht durch Strahlung. Man weist sie über ihre Masse oder ihren Kernspin nach. Die NMR misst \(\ce{^{13}C}\) und \(\ce{^{19}F}\) direkt. Deuterierte Lösungsmittel wie \(\ce{CDCl3}\) oder \(\ce{D2O}\) stören das \(\ce{^{1}H}\)-Spektrum nicht. Mit \(\ce{^{18}O}\) klärt man, welches Sauerstoffatom bei einer Esterhydrolyse ins Produkt wandert.

💡 Merke

Was die Analytik routinemäßig als NMR-Kern, NMR-Lösungsmittel oder Isotopenmuster nutzt, ist stabil: \(\ce{^{13}C}\), \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{19}F}\), \(\ce{^{35}Cl}\) und \(\ce{^{37}Cl}\).

Ein Beispiel aus der Diagnostik ist der \(\ce{^{13}C}\)-Harnstoff-Atemtest auf Helicobacter pylori. Der Keim bildet das Enzym Urease. Der Patient trinkt Harnstoff, dessen Kohlenstoff mit \(\ce{^{13}C}\) markiert ist. Ist der Keim im Magen, spaltet Urease den Harnstoff.

\[\ce{^{13}CO(NH2)2 + H2O -> ^{13}CO2 + 2 NH3}\]

Das markierte \(\ce{^{13}CO2}\) gelangt ins Blut und in die Atemluft. Ein Gerät misst den Anstieg des \(\ce{^{13}CO2}\)-Anteils, etwa per IR-Spektroskopie oder Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie. Weil keine Strahlung entsteht, eignet sich der Test auch für Kinder und Schwangere.

Ablaufschema vom Trinken markierten Harnstoffs über die Spaltung im Magen bis zur Messung des ausgeatmeten Kohlendioxids

Stabile Isotopenmarkierung in der Diagnostik: der 13C-Harnstoff-Atemtest

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Aussage 1

\(\ce{^{90}Sr}\) und \(\ce{^{137}Cs}\) entstehen als Spaltprodukte bei der Kernspaltung.

Beide wurden durch Kernwaffentests und Tschernobyl verbreitet. Strontium lagert sich im Knochen ab, Caesium verteilt sich wie Kalium.

Aussage 2

Deuterium ist ein radioaktives Wasserstoffisotop und wird deshalb nur mit Abschirmung verwendet.

Deuterium (\(\ce{^{2}H}\)) ist stabil. Radioaktiv ist erst Tritium (\(\ce{^{3}H}\)).

Aussage 3

Isotope eines Elements haben dieselbe Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in der Massenzahl.

Isotope haben gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen und damit verschiedene Massenzahlen.

Aussage 4

\(\ce{^{19}F}\) ist das radioaktive Fluorisotop, das im PET-Tracer FDG eingesetzt wird.

\(\ce{^{19}F}\) ist das einzige stabile Fluorisotop. Im FDG steckt das radioaktive \(\ce{^{18}F}\).

Aussage 5

Beim Harnstoff-Atemtest weist man die radioaktive Strahlung des ausgeatmeten \(\ce{^{13}CO2}\) nach.

\(\ce{^{13}C}\) ist stabil. Man misst den Anteil an \(\ce{^{13}CO2}\) etwa per IR-Spektroskopie oder Massenspektrometrie.

Aussage 6

Kalium-40 ist ein natürlich vorkommendes Radionuklid, das auch im menschlichen Körper vorhanden ist.

\(\ce{^{40}K}\) stammt aus der Entstehung der Erde und macht etwa 0,012 % des natürlichen Kaliums aus.

Aussage 7

\(\ce{^{18}O}\) ist ein stabiles Sauerstoffisotop.

\(\ce{^{18}O}\) kommt mit etwa 0,2 % natürlich vor und ist nicht radioaktiv. Radioaktiv ist dagegen \(\ce{^{18}F}\).

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