Isotope

Isotope sind Atome desselben Elements, die unterschiedliche Neutronenzahlen haben. Sie haben die gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedliche Massen. Manche Isotope sind radioaktiv, andere stabil.

Was sind Isotope?

Isotope sind verschiedene Formen desselben Elements. Sie haben:

dieselbe Anzahl von Protonen (dieselbe Ordnungszahl — dasselbe Element)
unterschiedliche Anzahlen von Neutronen (verschiedene Massenzahlen)

Da die Anzahl und Anordnung der Elektronen dieselbe ist, verhalten sich Isotope bei chemischen Reaktionen identisch. Sie unterscheiden sich nur in ihrer Masse.

Beispiel: Kohlenstoffisotope

Kohlenstoff hat drei natürlich vorkommende Isotope:

Isotop	Protonen	Neutronen	Massenzahl
Kohlenstoff-12 (¹²C)	6	6	12
Kohlenstoff-13 (¹³C)	6	7	13
Kohlenstoff-14 (¹⁴C)	6	8	14

Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 sind stabil. Kohlenstoff-14 ist radioaktiv — sein Kern ist instabil und zerfällt langsam im Laufe der Zeit.

Hinweis

Radiokohlenstoffdatierung nutzt Kohlenstoff-14. Lebewesen nehmen ständig Kohlenstoff auf. Wenn ein Organismus stirbt, zerfällt sein Kohlenstoff-14 mit einer bekannten Rate. Wissenschaftler können messen, wie viel Kohlenstoff-14 noch vorhanden ist, um abzuschätzen, wie lange der Organismus schon tot ist — nützlich zur Datierung von Fossilien bis zu etwa 50.000 Jahren.

Relative Atommasse

Da die meisten Elemente Gemische von Isotopen sind, ist die relative Atommasse (Ar) ein gewichteter Durchschnitt aller Isotope unter Berücksichtigung ihrer Häufigkeit.

Chlor zum Beispiel besteht aus:

75 % Chlor-35
25 % Chlor-37

$A_r(\text{Cl}) = (35 \times 0{,}75) + (37 \times 0{,}25) = 35{,}5$

Deshalb zeigt das Periodensystem 35,5 für Chlor, keine ganze Zahl.

Radioaktive Isotope im Alltag

Radioaktive Isotope (Radioisotope) haben viele Anwendungen:

Medizin: Krebsbehandlung, medizinische Bildgebung (z. B. Iod-131 für die Schilddrüse)
Archäologie: Kohlenstoff-14-Datierung von organischem Material
Energie: Uran-235 in Kernkraftwerken

Tipp

Eine schnelle Möglichkeit, Isotope zu erkennen: gleiche Elementsymbole, gleiche Ordnungszahl, verschiedene Massenzahl. ²³⁵U und ²³⁸U sind zum Beispiel beide Uran, aber ersteres wird in Kernreaktoren eingesetzt, während letzteres viel häufiger vorkommt.

Praxisbezug: Radiokohlenstoffdatierung antiker Artefakte

Wenn ein Baum gefällt wird, nimmt er kein Kohlenstoff-14 mehr auf. Wissenschaftler messen das Verhältnis von C-14 zu C-12 in alten Holzartefakten oder Holzkohle. Da C-14 eine Halbwertszeit von 5.730 Jahren hat, können Archäologen das Alter des Gegenstands berechnen — so wurde das Turiner Grabtuch ins Mittelalter datiert.

Praxisbezug: Kernenergie aus Uranisotopen

Natürliches Uran enthält hauptsächlich Uran-238 (99,3 %) und etwas Uran-235 (0,7 %). Nur U-235 ist spaltbar — es kann eine nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten. Kernkraftwerke verwenden angereichertes Uran (mit mehr U-235) als Brennstoff.

Praxisbezug: Medizinische Isotope bei der Krebsbehandlung

Iod-131 (¹³¹I) ist ein radioaktives Isotop zur Behandlung von Schilddrüsenkrebs. Die Schilddrüse nimmt natürlicherweise Iod auf, daher konzentriert sich Iod-131 im Tumor und zerstört Krebszellen von innen. Diese gezielte Nutzung exploitiert den Unterschied zwischen stabilem Iod-127 und radioaktivem Iod-131.

Tipp

Wo begegnet dir das im Alltag? Kohlenstoffdatierung in Museen, Kernkraft im Stromnetz und medizinische Bildgebung in Krankenhäusern — all das nutzt spezifische Isotope. Dasselbe Element mit unterschiedlichen Neutronenzahlen kann lebensrettendes Medikament oder Brennstoff für ein Kraftwerk sein.

Übungsaufgaben

Chlor-35 und Chlor-37 sind beide Chlorisotope. Was haben sie gemeinsam und was unterscheidet sie?

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Gemeinsam: Beide haben 17 Protonen (Ordnungszahl 17) und damit dieselbe Elektronenanzahl und dasselbe chemische Verhalten. Unterschied: Chlor-35 hat 18 Neutronen, Chlor-37 hat 20 Neutronen. Sie haben verschiedene Massenzahlen (35 und 37).