5.8: Isotope – Wenn die Anzahl der Neutronen schwankt

Stabilität von Isotopen

Atome benötigen ein bestimmtes Verhältnis von Neutronen zu Protonen, um einen stabilen Kern zu haben. Zu viele oder zu wenige Neutronen im Verhältnis zu den Protonen führen zu einem instabilen oder radioaktiven Kern, der früher oder später in eine stabilere Form zerfällt. Dieser Prozess wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Viele Isotope haben radioaktive Kerne, und diese Isotope werden als Radioisotope bezeichnet. Wenn sie zerfallen, setzen sie Teilchen frei, die schädlich sein können. Aus diesem Grund sind radioaktive Isotope gefährlich und die Arbeit mit ihnen erfordert spezielle Schutzanzüge. Ein Beispiel für ein Radioisotop ist das Isotop des Kohlenstoffs, Kohlenstoff-14. Im Gegensatz dazu sind die Kohlenstoffisotope Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 stabil.

Diese ganze Diskussion über Isotope führt uns zurück zu Daltons Atomtheorie. Nach Dalton sind die Atome eines bestimmten Elements identisch. Aber wenn Atome eines Elements eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben können, dann können sie auch unterschiedliche Massen haben! Wie konnte Dalton dies übersehen? Es stellt sich heraus, dass die in der Natur vorkommenden Elemente als konstante, einheitliche Mischungen ihrer natürlich vorkommenden Isotope existieren. Mit anderen Worten: Ein Stück Lithium enthält immer beide Typen des natürlich vorkommenden Lithiums (den Typ mit 3 Neutronen und den Typ mit 4 Neutronen). Außerdem enthält es immer beide in der gleichen relativen Menge (oder „relativen Häufigkeit“). In einem Lithiumbrocken wird \(93\%\) immer Lithium mit 4 Neutronen sein, während das restliche \(7\%\) immer Lithium mit 3 Neutronen ist.

Dalton experimentierte immer mit großen Brocken eines Elements – Brocken, die alle natürlich vorkommenden Isotope dieses Elements enthielten. Als er seine Messungen durchführte, beobachtete er daher tatsächlich die gemittelten Eigenschaften aller verschiedenen Isotope in der Probe. Für die meisten unserer Zwecke in der Chemie werden wir das Gleiche tun und uns mit der durchschnittlichen Masse der Atome befassen. Glücklicherweise sind die meisten anderen Eigenschaften der verschiedenen Isotope, abgesehen von den unterschiedlichen Massen, ähnlich.

Wissenschaftler geben die Massenzahl eines Atoms, das sie interessiert, häufig auf zwei Arten an. Es ist wichtig zu beachten, dass die Massenzahl nicht im Periodensystem angegeben ist.

Um ein Kernsymbol zu schreiben, wird die Massenzahl oben links (hochgestellt) vom chemischen Symbol und die Ordnungszahl unten links (tiefgestellt) vom Symbol platziert. Das vollständige Kernsymbol für Helium-4 ist unten eingezeichnet:

Die folgenden Kernsymbole sind für einen Nickelkern mit 31 Neutronen und einen Urankern mit 146 Neutronen.

Im oben dargestellten Nickelkern bedeutet die Ordnungszahl 28, dass der Kern 28 Protonen enthält und daher 31 Neutronen enthalten muss, um eine Massenzahl von 59 zu haben. Der Urankern hat 92 Protonen, wie alle Urankerne, und dieser spezielle Urankern hat 146 Neutronen.

Eine andere Möglichkeit, Isotope darzustellen, besteht darin, einen Bindestrich und die Massenzahl an den chemischen Namen oder das Symbol anzuhängen. Die beiden Kerne hießen dann Nickel-59 oder Ni-59 und Uran-238 oder U-238, wobei 59 und 238 die Massenzahlen der beiden Atome sind. Beachten Sie, dass die Massenzahlen (nicht die Anzahl der Neutronen) neben dem Namen angegeben werden.