isótopo
Como isótopos (del griego antiguo ἴσος isos "igual" y τόπος tópos "agente de lugar") se refiere a tipos de átomos cuyos núcleos atómicos contienen el mismo número de protones pero diferentes, muchos neutrones . Tienen el mismo número atómico y, por lo tanto, representan el mismo elemento pero tienen diferentes números de masa ; Entonces, hay isótopos de oxígeno , isótopos de hierro , etc. Los diferentes isótopos de un elemento se comportan químicamente de manera casi idéntica.
El nombre proviene del hecho de que los isótopos de un elemento están en el mismo lugar en la tabla periódica . Se muestran por separado en un mapa de nucleidos . El término isótopo es más antiguo que el término nucleido , que generalmente significa "tipo de átomo". Por lo tanto, "isótopo" todavía se usa a menudo en el sentido de nucleido, es decir, H. incluso si no solo estamos hablando de átomos de un mismo elemento. El término isótopo fue acuñado por Frederick Soddy , quien recibió el Premio Nobel de Química en 1921 por su trabajo y conocimiento en el campo de los isótopos y radionúclidos .
Para cada elemento conocido, con la excepción del oganesson , que se sintetizó por primera vez en 2006 , se han detectado varios isótopos (ver lista de isótopos y mapa de nucleidos ). Hay alrededor de 3300 nucleidos conocidos en total. Aproximadamente 240 de ellos son estables. Todos los demás son inestables, es decir, sus átomos se transforman en otros átomos a través de la desintegración radiactiva después de un período de tiempo más largo o más corto. Para algunos nucleidos tradicionalmente considerados estables, este tiempo es tan largo que su desintegración solo se ha descubierto hoy o todavía se está buscando en experimentos.
De los 91 elementos naturales, 69 se encuentran en la naturaleza como mezclas de varios isótopos ( elementos mixtos ). Los 22 restantes se denominan elementos puros . El peso atómico químico de los elementos mezclados es el valor medio de las diversas masas atómicas de los isótopos implicados.
Notación de designación y fórmula
La notación se describe en detalle en Nuklid . En el texto, un isótopo se indica mediante el nombre del elemento o el símbolo con el número de masa adjunto, por ejemplo, oxígeno-16 u O-16, hierro-56 o Fe-56. A veces, las excepciones son los isótopos de hidrógeno (consulte la siguiente sección).
El número de masa se agrega al símbolo del elemento en la parte superior izquierda como símbolo de fórmula. El número atómico ya viene dado por el nombre (el símbolo del elemento), pero también se puede escribir en el símbolo del elemento en la parte inferior izquierda, siempre que sea - z. B. en reacciones nucleares - es de interés, como en
Si aparece una m en la designación (por ejemplo, 16m1 N), esto significa un isómero del núcleo . Si hay un número después de la m , esta es una numeración si existen varios isómeros.
Reacciones químicas de isótopos.
Los isótopos de un elemento tienen la misma capa de electrones. Como resultado, no difieren en el tipo de reacciones posibles , sino solo en su velocidad de reacción , porque esto depende de alguna manera de la masa.
Sin embargo, en el caso de elementos pesados, la diferencia de masa relativa es muy pequeña. La relación de las masas atómicas de uranio 238 y uranio-235 es de 1: 1.013; no hay una diferencia notable en su comportamiento químico; se deben utilizar métodos físicos para la separación (ver enriquecimiento de uranio ). Para los isótopos de litio litio-7 y litio-6, la relación es 1: 1,17; Los métodos de separación físico-química son posibles aquí (ver litio ). Las diferencias de masa de los tres isótopos de hidrógeno son muy grandes ( 1 H: 2 H: 3 H como 1: 2: 3), por lo que reaccionan químicamente de manera ligeramente diferente e incluso tienen sus propios nombres y símbolos químicos:
- Con mucho, el isótopo de hidrógeno más común 1 H también se conoce como protio o hidrógeno ligero .
- El isótopo 2 H también se conoce como deuterio o hidrógeno pesado . Símbolo: D.
- El isótopo 3 H también se conoce como tritio o hidrógeno superpesado . Símbolo: T.
El diferente comportamiento químico-físico de H y D se manifiesta en la electrólisis del agua . El agua con 1 H normal reacciona preferentemente y se descompone en hidrógeno y oxígeno, mientras que las moléculas de agua que contienen D ( 2 H deuterio, hidrógeno pesado) se acumulan en el agua restante (en comparación con la proporción natural de aproximadamente 1: 7.000).
Elementos mixtos y elementos puros
Prácticamente todos los nucleidos de origen natural en la tierra son estables (es decir, no se ha observado desintegración) o son radiactivos con una vida media que no es significativamente más corta que la edad de la tierra . Estos se denominan nucleidos primordiales .
Se conocen un total de aproximadamente 245 nucleidos estables (ver mapa de nucleidos : los nucleidos estables se muestran con un fondo negro). En el caso de "estable", sin embargo, debe hacerse una distinción entre si la desintegración del nucleido parece estar excluida por ley natural o si parece posible pero aún no se ha observado. El número de nucleidos que son estables en el último sentido ha disminuido una y otra vez con el tiempo: gracias a los métodos de detección mejorados, algunos nucleidos que antes se consideraban estables se reconocieron más tarde como radiactivos. Con la detección de la radiactividad del bismuto -209 en 2003, se descubrió que el plomo -208 es el nucleido estable más pesado y, por lo tanto, el plomo es el elemento más pesado con isótopos estables.
Los elementos que ocurren en la naturaleza son en su mayoría elementos mixtos, i. H. Mezclas de isótopos. El estaño tiene los isótopos más naturales con 10 isótopos, seguido del xenón con 9 isótopos naturales, 8 de los cuales son estables. Los elementos que solo constan de un isótopo natural se denominan elementos puros . Un elemento puro tiene exactamente un isótopo primordial. Esta propiedad tiene 19 elementos estables y 3 inestables de larga duración.
Isótopos conocidos
hidrógeno
El hidrógeno es el elemento con el efecto isotópico químico más fuerte . El hidrógeno pesado ( 2 H o deuterio ) sirve como moderador en el reactor de agua pesada . El hidrógeno pesado ( 3 H o tritio ) es radiactivo. Se crea en la atmósfera por rayos cósmicos y en reactores nucleares. El tritio se utilizó en pinturas luminosas para esferas de reloj, etc., entre 1960 y 1998. En el futuro, el deuterio y el tritio se utilizarán en mayores cantidades como combustible para reactores de fusión nuclear .
helio
El helio es el elemento con el efecto isotópico físico más fuerte . En el rango de temperatura baja en particular , los dos isótopos de helio se comportan de manera muy diferente, ya que 3 He es un fermión y 4 He es un bosón .
carbón
Un isótopo muy conocido es el 14 C radiactivo , que se utiliza para determinar la edad de los materiales orgánicos ( arqueología ) ( método de radiocarbono ). El carbono natural se encuentra principalmente en los isótopos estables 12 C y 13 C. El 14 C se forma a partir de nitrógeno en capas atmosféricas elevadas.
oxígeno
La relación de los dos isótopos de oxígeno estables 18 O y 16 O se utiliza para investigar las temperaturas paleo . Los isótopos estables de oxígeno también son adecuados como trazadores naturales en sistemas acuáticos.
uranio
El isótopo 235 U se utiliza como combustible en centrales nucleares . Para la mayoría de los tipos de reactores, el uranio natural debe enriquecerse con 235 U. El 235 U casi puro se utiliza en algunas armas nucleares .
Isótopos en analítica
En las mediciones del espectro óptico con suficiente resolución, los isótopos de un elemento se pueden diferenciar por sus líneas espectrales ( desplazamiento de isótopos ).
La composición isotópica en una muestra generalmente se determina con un espectrómetro de masas , en el caso de trazas de isótopos con espectrometría de masas con acelerador .
Los isótopos radiactivos a menudo se pueden identificar por sus productos de desintegración o la radiación ionizante emitida .
Los isótopos también juegan un papel en la espectroscopia de RMN . Por ejemplo, el isótopo de carbono común 12 C no tiene momento magnético y, por lo tanto, no es observable. Por lo tanto, las investigaciones sobre el carbono solo pueden llevarse a cabo utilizando el isótopo 13 C, mucho más raro .
Los isótopos también se utilizan en la elucidación de los mecanismos de reacción o metabolismos con la ayuda del denominado marcado de isótopos .
La composición isotópica del agua es diferente y característica en diferentes lugares del mundo. Estas diferencias permiten comprobar la declaración del lugar de origen de alimentos como el vino o el queso .
La investigación de ciertos patrones de isótopos (especialmente los patrones de isótopos de 13 C) en moléculas orgánicas se denomina análisis de isótopos. Entre otras cosas, permite la determinación de flujos de material intracelular en células vivas. Además, el análisis de las relaciones 13 C / 12 C, 15 N / 14 N y 34 S / 32 S está muy extendido en la ecología actual. Sobre la base del fraccionamiento, los flujos de masa pueden estar en la pista de las redes alimentarias o los Trophieniveaus determinan las especies individuales. Los isótopos estables también sirven como trazadores naturales en medicina .
En hidrología , las conclusiones sobre los procesos hidrológicos se extraen de las relaciones de concentración de isótopos. El ciclo del agua acompaña a la mayoría de los flujos de materiales por encima y por debajo de la superficie terrestre. El agua oceánica media estándar de Viena (VSMOV) se utiliza a menudo como referencia.
La geoquímica se ocupa de los isótopos en minerales , rocas , suelo , agua y atmósfera .
Ver también
literatura
- Werner Stolz: Radiactividad. Conceptos básicos, medición, aplicaciones. 5ª edición. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .
- Bogdan Povh , K. Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Partículas y núcleos. Introducción a los conceptos físicos. 7ª edición. Springer, Berlín / Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-36685-0 .
- Klaus Bethge , Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Física nuclear. 2ª Edición. Springer, Berlín / Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41444-4 .
- Hanno Krieger: Conceptos básicos de física de la radiación y protección radiológica. 2ª Edición. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .
enlaces web
Evidencia individual
- ↑ Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic: Detección experimental de partículas α de la desintegración radiactiva del bismuto natural . En: Naturaleza . cinta 422 , no. 6934 , abril de 2003, pág. 876–878 , tabla de resultados 1 , doi : 10.1038 / nature01541 .
- ↑ Paul Königer: Trazador de enfoques hidrológicos para la determinación de la nueva formación de agua subterránea . Inst. Para hidrología, Friburgo i. Br.2003 , DNB 969622139 ( PDF - más disertación, Universidad de Friburgo).