Isotopen
Isotopen zijn kernvarianten van hetzelfde element: het aantal protonen blijft gelijk, terwijl het aantal neutronen verschilt. Dat verandert de massa en soms de kernstabiliteit, terwijl de elektronenchemie vrijwel hetzelfde blijft.
Notatie en identiteit
A en Z lezen
Een kernsoort wordt geschreven als AZX. X is het elementsymbool, Z is het aantal protonen en A het massagetal. Voor 3717Cl bevat de kern 17 protonen en 37 − 17 = 20 neutronen. De 17 identificeert chloor al; de 37 identificeert deze isotoop.
Omdat het symbool Z vastlegt, wordt het onderste getal in gewone notatie vaak weggelaten: chloor-37 of ³⁷Cl is voldoende.
Nuclide en isotoop
A nuclide is één specifieke kernsoort. 12C en 13C zijn twee nucliden. Door ze isotopen te noemen, benadruk je hun relatie: ze behoren tot hetzelfde element omdat ze hetzelfde aantal protonen hebben.
Twee kernen kunnen hetzelfde massagetal hebben en toch tot verschillende elementen behoren. Dan zijn ze geen isotopen van elkaar.
Chemie van isotopen
Neutrale isotopen van één element hebben hetzelfde aantal elektronen en vrijwel dezelfde elektronenstructuur. Daarom ondergaan 12CO₂ en 13CO₂ dezelfde fundamentele reacties en nemen isotopen één plaats in het periodiek systeem in.
Vrijwel hetzelfde is niet exact hetzelfde. Een andere kernmassa verandert de trillingsfrequenties en kan reactiesnelheden of evenwichten een beetje verschuiven. Deze isotoopeffecten vallen vooral op bij waterstof, omdat vervanging van 1H door deuterium de kernmassa bijna verdubbelt.
Massagetal en gemeten massa
Het massagetal A is een gehele telling van protonen en neutronen. De werkelijke isotopenmassa is een gemeten grootheid in uniforme atomaire massa-eenheden, u, en is meestal geen geheel getal. 13C heeft massagetal 13, maar de gemeten isotopenmassa is iets groter dan 13 u.
Het verschil weerspiegelt de werkelijke massa’s van protonen, neutronen en elektronen en de kernbindingsenergie van het gevormde atoom. Kernbinding verandert de massa via E = mc².
Stabiliteit en abundantie
De kern wordt door de sterke wisselwerking bijeengehouden, terwijl protonen elkaar elektrisch afstoten. Neutronen versterken de kernbinding zonder coulombafstoting toe te voegen. De gunstige verhouding tussen neutronen en protonen verschuift daarom naarmate kernen zwaarder worden.
Die verhouding is niet het hele verhaal. Ook kernschillen, paring en de totale binding spelen een rol. Kernen buiten een gunstig stabiliteitsgebied kunnen hun energie verlagen via radioactieve processen zoals bèta- of alfaverval.
De isotopenabundantie is de fractie atomen die tot een bepaalde isotoop behoort. Tabellen in leerboeken geven vaak één handig percentage, maar echte natuurlijke materialen kunnen door hun oorsprong en geschiedenis licht afwijkende isotopenverhoudingen hebben.
Verdamping, condensatie, diffusie, mineraalvorming en biologische processen kunnen isotopen fractioneren. Voor verschillende elementen worden standaardatoomgewichten daarom als intervallen opgegeven in plaats van als één exact getal dat voor elk normaal aards monster geldt.
Atoomgewicht en meting
Het atoomgewicht van een element hangt zowel van de isotopenmassa’s als van hun verhoudingen af. In een eenvoudig systeem met twee isotopen:
gemiddelde atoommassa = m₁x₁ + m₂x₂, met x₁ + x₂ = 1.
Dit is een naar aantallen gewogen gemiddelde. Het betekent niet dat een individueel chlooratoom met een massa van 35,45 u het typische fysieke atoom is. Elk atoom is de ene of de andere isotoop.
Gewogen gemiddelde voor chloor
Neem als voorbeeld een monster met 75,78% 35Cl met isotopenmassa 34,9689 u en 24,22% 37Cl met massa 36,9659 u:
(0.7578 × 34.9689) + (0.2422 × 36.9659) ≈ 35.45 u.
Het resultaat ligt tussen de isotopenmassa’s en dichter bij 35Cl omdat die isotoop het monster domineert. Verrijk het materiaal met 37Cl en de gemiddelde massa stijgt, hoewel elk atoom chloor blijft.
Massaspectrometrie
Massaspectrometrie scheidt ionen op grond van hun massa-ladingverhouding m/z. Isotopen van hetzelfde element hebben vrijwel dezelfde chemie maar verschillende massa’s, zodat goed gescheiden isotopenpieken de samenstelling kunnen onthullen.
Moleculaire massaspectra bevatten eveneens isotopenpatronen. Moleculen met chloor, broom of meerdere koolstofatomen kunnen karakteristieke piekclusters geven, omdat verschillende isotopencombinaties iets verschillende massa’s hebben.
Isotopenverhoudingen
Lichte en zware isotopen gedragen zich niet volkomen identiek. Verdamping, condensatie, diffusie, biochemische reacties en mineraalvorming kunnen isotopenverhoudingen daardoor licht verschuiven. Dit heet isotopenfractionatie.
De verschillen kunnen klein zijn, maar moderne metingen kunnen ze onderscheiden. Isotopenverhoudingen kunnen daarom informatie over een proces bewaren: de geschiedenis van de waterkringloop, biologische koolstofroutes, omstandigheden bij mineraalvorming of de herkomst van een materiaal.
Kleine verschillen in isotopenverhouding worden vaak ten opzichte van een referentie gerapporteerd:
δ = [(Rmonster/Rreferentie) − 1] × 1000 ‰
R kan bijvoorbeeld een verhouding zijn als 13C/12C. Een positieve δ betekent dat het monster een hogere verhouding zwaar/licht heeft dan de referentie; een negatieve waarde betekent lager. De referentie moet altijd worden vermeld, omdat δ relatief is.
Toepassingen
Koolstof
12C definieert de moderne referentie voor atoommassa. 13C is stabiel en wordt veel gebruikt als tracer en bij structuuranalyse. 14C is radioactief en kan als klok dienen voor koolstof die met atmosfeer of biosfeer heeft uitgewisseld.
Dit zijn geen verschillende koolstofchemieën. Het zijn kernvarianten van hetzelfde element waarvan massa en stabiliteit verschillende experimentele mogelijkheden geven.
Datering
Bij één radionuclide is elk afzonderlijk verval onvoorspelbaar, maar een grote populatie volgt N(t) = N₀e−λt, met T½ = ln 2 / λ. Die statistische regelmaat maakt radiometrische datering mogelijk.
Een gemeten isotopenverhouding is niet automatisch een ouderdom. Beginvoorwaarden, gedrag van moeder- en dochterisotopen, verontreiniging en de vraag of het systeem effectief gesloten is gebleven, moeten allemaal worden meegewogen.
Tracers
Een tracer hoeft alleen onderscheidbaar te zijn. Door een verbinding te verrijken met 13C, 15N of 18O kunnen de atomen door een reactie, organisme of milieucompartiment worden gevolgd terwijl de chemie vrijwel hetzelfde blijft.
Natuurlijke isotopenverhoudingen kunnen op dezelfde manier koolstofbronnen onderscheiden, grondwater volgen, aspecten van vroegere klimaten reconstrueren en relaties in voedselwebben zichtbaar maken.
Geneeskunde
Radioactief verval kan van buiten het lichaam worden gedetecteerd of energie in weefsel afzetten. Geselecteerde radionucliden zijn daarom bruikbaar voor diagnostische beeldvorming en therapie. Een bruikbare isotoop moet de juiste vervalwijze, straling, halveringstijd en chemie combineren.
Een te lange halveringstijd kan onnodig langdurige activiteit geven; een te korte kan betekenen dat het radionuclide vervalt voordat beeldvorming of behandeling klaar is. Kernfysica en chemische targeting moeten samenwerken.
Een verrijkt materiaal bevat een groter aandeel van één isotoop dan een referentie- of natuurlijk materiaal. Verrijking verandert Z niet en maakt dus geen ander element. Ze verandert de statistische isotopensamenstelling van een verzameling atomen.
Oefeningen
Samenstelling van de kern
Voor 5826Fe geldt Z = 26, dus zijn er 26 protonen. Het aantal neutronen is N = A − Z = 58 − 26 = 32. Een ander ijzeratoom met 30 neutronen is nog steeds ijzer omdat Z nog steeds 26 is; het is 56Fe.
Gewogen gemiddelde
Een element heeft twee isotopen: 10,0 u met 20,0% en 11,0 u met 80,0%. Bereken de gemiddelde atoommassa.
Oplossing
(0.200 × 10.0) + (0.800 × 11.0) = 10.8 u.