5.8: Isotopen – Wanneer het aantal neutronen varieert

Stabiliteit van isotopen

Atomen hebben een bepaalde verhouding neutronen/protonen nodig om een stabiele kern te hebben. Te veel of te weinig neutronen ten opzichte van protonen resulteert in een onstabiele, of radioactieve, kern die vroeg of laat zal afbreken tot een stabielere vorm. Dit proces wordt radioactief verval genoemd. Veel isotopen hebben radioactieve kernen, en deze isotopen worden radio-isotopen genoemd. Wanneer zij vervallen, komen er deeltjes vrij die schadelijk kunnen zijn. Dit is de reden waarom radioactieve isotopen gevaarlijk zijn en waarom voor het werken ermee speciale beschermingspakken nodig zijn. De koolstofisotoop koolstof-14 is een voorbeeld van een radio-isotoop. Daarentegen zijn de koolstofisotopen koolstof-12 en koolstof-13 stabiel.

De hele discussie over isotopen brengt ons terug bij de Atoomtheorie van Dalton. Volgens Dalton zijn atomen van een bepaald element identiek. Maar als atomen van een bepaald element verschillende aantallen neutronen kunnen hebben, dan kunnen ze ook verschillende massa’s hebben! Hoe kon Dalton dit over het hoofd zien? Het blijkt dat elementen die in de natuur voorkomen bestaan als constante uniforme mengsels van hun natuurlijk voorkomende isotopen. Met andere woorden, een stuk lithium bevat altijd beide typen van het natuurlijk voorkomende lithium (het type met 3 neutronen en het type met 4 neutronen). Bovendien bevat het altijd de twee in dezelfde relatieve hoeveelheden (of “relatieve abundanties”). In een brok lithium is lithium met 4 neutronen altijd lithium met 3 neutronen, terwijl de resterende lithium met 7 neutronen altijd lithium met 3 neutronen is.

Dalton experimenteerde altijd met grote brokken van een element – brokken die alle natuurlijk voorkomende isotopen van dat element bevatten. Als gevolg daarvan observeerde hij bij zijn metingen eigenlijk de gemiddelde eigenschappen van alle verschillende isotopen in het monster. Voor de meeste van onze scheikundedoeleinden zullen we hetzelfde doen en ons bezighouden met de gemiddelde massa van de atomen. Gelukkig zijn, behalve de verschillende massa’s, de meeste andere eigenschappen van de verschillende isotopen vergelijkbaar.

Er zijn twee belangrijke manieren waarop wetenschappers vaak het massagetal weergeven van een atoom waarin zij geïnteresseerd zijn. Het is belangrijk op te merken dat het massagetal niet wordt vermeld in het periodiek systeem. Deze twee manieren zijn het schrijven van een kernsymbool of door het geven van de naam van het element met het massagetal erbij geschreven.

Om een kernsymbool te schrijven, wordt het massagetal linksboven (superscript) van het chemische symbool geplaatst en het atoomnummer linksonder (subscript) van het symbool. Het volledige kernsymbool voor helium-4 is hieronder getekend:

De volgende kernsymbolen zijn voor een nikkelkern met 31 neutronen en een uraniumkern met 146 neutronen.

In de hierboven getekende nikkelkern geeft het atoomnummer 28 aan dat de kern 28 protonen bevat, en dus 31 neutronen moet bevatten om een massagetal van 59 te hebben. De uraniumkern heeft 92 protonen, zoals alle uraniumkernen, en deze uraniumkern heeft 146 neutronen.

Een andere manier om isotopen voor te stellen is door een koppelteken en het massagetal toe te voegen aan de chemische naam of het symbool. Zo zouden de twee kernen Nikkel-59 of Ni-59 en Uranium-238 of U-238 zijn, waarbij 59 en 238 de massagetallen van de twee atomen zijn, respectievelijk. Merk op dat de massagetallen (niet het aantal neutronen) aan de zijkant van de naam worden gegeven.