Isotope, Isobare und Kernspin
Isotope, Isobare und Isotone unterscheiden sich in ihrer Kernzusammensetzung. Diese Einheit klärt, was sie chemisch gleich und kernphysikalisch verschieden macht, und erklärt, welche Kerne einen Kernspin tragen.
Das Wichtigste in Kürze
- Isotope sind Nuklide eines Elements mit gleicher Protonenzahl \(Z\), aber verschiedener Neutronenzahl und damit verschiedener Nukleonenzahl und Atommasse.
- Neutrale Isotope haben gleich viele Elektronen, reagieren chemisch gleich und haben praktisch gleiche Ionisationsenergie. Sie unterscheiden sich in kernphysikalischen Eigenschaften.
- Mit chemischen Mitteln lässt sich kein Element in ein anderes umwandeln. Natürliche Elemente sind meist Isotopengemische.
- \(\ce{^{12}C}\) (98,9 %) und \(\ce{^{13}C}\) (1,1 %) sind stabil, \(\ce{^{14}C}\) kommt nur in Spuren vor und ist radioaktiv.
- Isobare haben gleiches \(A\) (etwa \(\ce{^{14}C}\) und \(\ce{^{14}N}\)), Isotone gleiches \(N\) bei verschiedenem \(Z\).
- \(\ce{^{1}H}\), \(\ce{^{2}H}\), \(\ce{^{13}C}\) und \(\ce{^{15}N}\) haben einen Kernspin und sind NMR-aktiv, \(\ce{^{12}C}\) hat \(I = 0\).
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Worum es geht
Atome desselben Elements können verschieden schwer sein, weil ihr Kern unterschiedlich viele Neutronen enthält. Dieses Wissen braucht man in der Pharmazie für die Altersbestimmung mit \(\ce{^{14}C}\) und für Radiopharmaka. Auch die \(\ce{^{13}C}\)-NMR-Spektroskopie beruht darauf.
Definition isotoper Nuklide
Ein Nuklid ist durch seine Protonenzahl \(Z\) und seine Neutronenzahl \(N\) festgelegt. Die Massenzahl ist \(A = Z + N\) (siehe Nukleonen, Kernladungszahl und Massenzahl). Die Protonenzahl entscheidet, welches Element vorliegt. Sie ist zugleich Kernladungszahl und Ordnungszahl im Periodensystem.
Isotope sind Nuklide desselben Elements. Sie haben die gleiche Protonenzahl \(Z\), aber eine verschiedene Neutronenzahl \(N\) und damit eine verschiedene Nukleonenzahl \(A\).
Der Name heißt übersetzt „gleicher Ort“: Alle Isotope eines Elements stehen auf demselben Platz im Periodensystem. Jedes zusätzliche Neutron bringt rund 1 u Masse mit. Isotope unterscheiden sich deshalb auch in ihrer relativen Atommasse.
Wer Isotope aus einer Liste heraussuchen soll, schaut nur auf \(Z\). In der folgenden Auswahl sind die Nuklide 1, 3 und 5 Isotope des Sauerstoffs, denn alle haben \(Z = 8\).
| Nuklid | \(Z\) | \(N\) | \(A\) | Element |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 8 | 8 | 16 | O |
| 2 | 7 | 9 | 16 | N |
| 3 | 8 | 9 | 17 | O |
| 4 | 9 | 8 | 17 | F |
| 5 | 8 | 10 | 18 | O |
Gleiches \(A\) oder gleiches \(N\) allein macht noch keine Isotope. Nuklid 2 hat zwar dieselbe Massenzahl wie Nuklid 1, ist aber Stickstoff.
Chemie und Kernphysik der Isotope
Ein neutrales Atom hat so viele Elektronen, wie sein Kern Protonen enthält. Isotope haben im neutralen Zustand also gleich viele Elektronen in gleicher Anordnung. \(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{14}C}\) besitzen beide sechs Hüllenelektronen.
Das chemische Verhalten hängt an der Hülle. Isotope reagieren deshalb gleich. Beide Kohlenstoffisotope verbrennen etwa bei Sauerstoffmangel zu Kohlenstoffmonoxid:
\[\ce{2 C + O2 -> 2 CO}\]
Auch die erste Ionisationsenergie ist praktisch gleich. Das äußerste Elektron spürt dieselbe Kernladung, nur die etwas andere Kernmasse verursacht winzige Abweichungen.
Im Kern unterscheiden sich Isotope dagegen deutlich. Masse, Stabilität, Radioaktivität und Kernspin sind kernphysikalische Eigenschaften und für jedes Isotop eigen. Die Massendifferenz zeigt sich außerdem in Molekülschwingungen (Isotopeneffekt).
Chemische Reaktionen bauen nur die Hülle um. Mit chemischen Mitteln lässt sich deshalb kein Element in ein anderes umwandeln. Das gelingt erst durch Kernreaktionen oder radioaktiven Zerfall.
Vorkommen
Isotope müssen nicht künstlich erzeugt werden. Die meisten natürlichen Elemente sind Isotopengemische. Chlor besteht zu rund 76 % aus \(\ce{^{35}Cl}\) und zu 24 % aus \(\ce{^{37}Cl}\). Daraus ergibt sich seine mittlere Atommasse von 35,45 u.
Daneben gibt es künstlich erzeugte Isotope. Manche Isotope sind radioaktiv. Sie kommen natürlich vor wie \(\ce{^{14}C}\) oder werden gezielt hergestellt wie \(\ce{^{18}F}\) für die PET (Gewinnung von Radionukliden).
Kohlenstoffisotope
Natürlicher Kohlenstoff enthält drei Isotope. Alle haben sechs Protonen und damit die gleiche Kernladung. Sie unterscheiden sich in Neutronenzahl, Nukleonenzahl und Masse.
| Isotop | Protonen | Neutronen | Massenzahl | natürliche Häufigkeit | Kern |
|---|---|---|---|---|---|
| \(\ce{^{12}C}\) | 6 | 6 | 12 | 98,9 % | stabil |
| \(\ce{^{13}C}\) | 6 | 7 | 13 | 1,1 % | stabil |
| \(\ce{^{14}C}\) | 6 | 8 | 14 | Spuren (etwa 1 Atom auf \(10^{12}\)) | radioaktiv |
\(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{14}C}\) unterscheiden sich also in Masse und Kernstabilität. \(\ce{^{14}C}\) entsteht ständig in der oberen Atmosphäre. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von rund 5730 Jahren zu \(\ce{^{14}N}\) (Beta-Minus-Zerfall). Darauf beruht die Radiokarbonmethode.
Die Zuordnung der Häufigkeiten wird im Examen gerne gefragt: 98,9 % gehören zu \(\ce{^{12}C}\), 1,1 % zu \(\ce{^{13}C}\). \(\ce{^{14}C}\) kommt nur in Spuren vor und ist als einziges der drei radioaktiv.
Isobare und Isotone
Nuklide lassen sich auch nach anderen gemeinsamen Teilchenzahlen ordnen. Isobare haben die gleiche Nukleonenzahl \(A\), aber verschiedene Protonenzahl \(Z\). Sie gehören also zu verschiedenen Elementen und sind keine Isotope. Isotone haben die gleiche Neutronenzahl \(N\) bei verschiedener Protonenzahl.
Das Paar \(\ce{^{14}C}\) und \(\ce{^{14}N}\) ist isobar. Beide haben 14 Nukleonen. Kohlenstoff hat aber 6 Protonen und 8 Neutronen, Stickstoff 7 Protonen und 7 Neutronen. Kernladung, Protonen- und Neutronenzahl unterscheiden sich also. \(\ce{^{13}C}\) und \(\ce{^{14}N}\) sind dagegen isoton, denn beide haben 7 Neutronen.
In der Nuklidkarte trägt man \(Z\) gegen \(N\) auf. Isotope liegen dann in einer Zeile, Isotone in einer Spalte, Isobare auf einer Diagonalen.
Isotop: gleiche Protonenzahl. Isobar: gleiches A. Isoton: gleiche Neutronenzahl.
Kernspin
Protonen und Neutronen besitzen einen Eigendrehimpuls. Im Kern addieren sie sich zum Kernspin, beschrieben durch die Kernspinquantenzahl \(I\). Ein Kern mit \(I \neq 0\) verhält sich wie ein winziger Stabmagnet. Er besitzt ein kernmagnetisches Moment.
Ob ein Kern Spin hat, hängt von seinen Teilchenzahlen ab. Sind Protonen- und Neutronenzahl beide gerade, heben sich die Spins auf und \(I = 0\). Ist eine der beiden Zahlen ungerade, bleibt ein Spin übrig.
| Kern | \(Z\) | \(N\) | \(I\) | magnetisches Moment |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{^{1}H}\) | 1 | 0 | 1/2 | ja |
| \(\ce{^{2}H}\) (Deuterium) | 1 | 1 | 1 | ja |
| \(\ce{^{12}C}\) | 6 | 6 | 0 | nein |
| \(\ce{^{13}C}\) | 6 | 7 | 1/2 | ja |
| \(\ce{^{15}N}\) | 7 | 8 | 1/2 | ja |
Im äußeren Magnetfeld kann sich ein Kern mit Spin in \(2I + 1\) Richtungen einstellen. Bei \(I = 1/2\) entstehen zwei Energieniveaus. Eingestrahlte Radiofrequenz regt Übergänge zwischen ihnen an. Das ist das Prinzip der NMR-Spektroskopie in der Analytik, und auch die MRT nutzt den \(\ce{^{1}H}\)-Kernspin. Ein Kern mit \(I = 0\) spaltet nicht auf und bleibt unsichtbar.
Daher ist \(\ce{^{13}C}\) NMR-aktiv, \(\ce{^{12}C}\) nicht. Weil nur 1,1 % der Kohlenstoffatome \(\ce{^{13}C}\) sind, ist die \(\ce{^{13}C}\)-NMR deutlich unempfindlicher als die \(\ce{^{1}H}\)-NMR.
Quiz
Aussage 1
Das radioaktive Isotop \(\ce{^{14}C}\) macht etwa 1,1 % des natürlichen Kohlenstoffs aus.
Die 1,1 % gehören zum stabilen \(\ce{^{13}C}\). \(\ce{^{14}C}\) kommt nur in Spuren vor.
Aussage 2
\(\ce{^{14}C}\) und \(\ce{^{14}N}\) sind Isobare, weil sie dieselbe Nukleonenzahl bei verschiedener Protonenzahl haben.
Beide haben \(A = 14\). Kohlenstoff hat 6 Protonen, Stickstoff 7.
Aussage 3
\(\ce{^{12}C}\)-Kerne liefern wegen ihres Kernspins das Signal in der Kohlenstoff-NMR.
\(\ce{^{12}C}\) hat gerade Protonen- und Neutronenzahl und damit \(I = 0\) ohne magnetisches Moment. NMR-aktiv ist \(\ce{^{13}C}\).
Aussage 4
Neutrale Atome von \(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{14}C}\) haben gleich viele Elektronen und reagieren beide mit Sauerstoff zu Kohlenstoffmonoxid.
Die Elektronenzahl folgt aus der Protonenzahl. Die gleiche Hülle bewirkt gleiches chemisches Verhalten.
Aussage 5
\(\ce{^{13}C}\) ist ein stabiles Kohlenstoffisotop.
\(\ce{^{12}C}\) und \(\ce{^{13}C}\) sind stabil, nur \(\ce{^{14}C}\) ist radioaktiv.
Aussage 6
Isotope eines Elements unterscheiden sich in ihrer Kernladungszahl.
Isotope haben dieselbe Protonenzahl und damit dieselbe Kernladungszahl. Sie unterscheiden sich in der Neutronenzahl.
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