K3101_P_isotope - HMTC - Halbmikrotechnik Chemie GmbH

Lernkartei 101
101a
Isotope
Isotope
14.05.16
101a
Isotope
Welche Erkenntnis führte zur Aufstellung eines Periodensystems der Elemente?
Ordnet man die Elemente nach steigender Masse
(Mendelejev, Meyer) , so wiederholen sich die Eigenschaften der Elemente nach dem achten Glied
der Auflistung. Deshalb ordnet man sie so an, dass
Elemente mit steigender Masse und ähnlichen Eigenschaften untereinander stehen.
Woran konnte man erkennen, dass die chemischen
Eigenschaften eine ebenso große Bedeutung für die
Ordnung besitzen wie die molare Masse der Elemente?
Es gibt drei Stellen im Periodensystem, bei denen
die leichteren Elemente wegen des chemischen
Verhaltens vor den schwereren eingeordnet werden.
Argon (Ar) vor Kalium (K); Nickel (Ni) vor Cobalt (Co);
Tellur (Te) vor Iod (I).
Welche Erkenntnisse führten zur Bestätigung der
richtigen Anordnung durch die Berücksichtigung der
chemischen Eigenschaften?
Rutherford entdeckte den Atomkern. Dieser enthält
positive Ladungen (Protonen) und fast die gesamte
Masse des Atoms.
Bohr erklärte den Aufbau der Atomhülle aus Schalen,
auf denen sich negative Teilchen (Elektronen) bewegen. Bahnwechsel kann nur durch Sprünge geschehen.
Moseley erkannte aus der bei den Sprüngen von
Elektronen abgegebenen Röntgenstrahlung, dass
die freiwerdende Energie proportional zur Ladungszahl zunimmt. Damit ist die Stellung des Elements im
Periodensystem auf die Ladungszahl des Atomkerns
zurückzuführen und nicht auf die Masse!
Rutherford,
Bohr,
Moseley
Man kann die Masse der elektrisch geladener Teilchen (Protonen und Elektronen) durch Ablenkung
bewegter Teilchen im elektrischen und magnetischen
Feldern sehr genau bestimmen. Atome sind alle
schwerer als die Summe der Massen von Elektronen
und Protonen.
Was führte zur Annahme, dass es außer Protonen
noch etwas weiteres im Atomkern gibt?
101b
Isotope
14.05.16
101b
Isotope
Welche Eigenschaft sollten die neuen Teilchen besitzen?
Chadwick nahm an, dass das gesuchte Teilchen
elektrisch neutral ist und eine Masse besitzt.
Wie kann man ein Teilchen finden, das keine Ladung
besitzt und damit auch nicht durch seine ionisierende
Wirkung erkennbar wird?
Stoßen neutrale Teilchen mit anderen zusammen,
können dabei elektrisch geladene Teilchen entstehen. Aus dem Rückstoß-Verhalten der untersuchbaren elektrisch geladenen Stoßpartner kann auf die
neutralen Teilchen schließen. Chadwick gelang der
Nachweis 1931. Er nannte das Teilchen Neutron, es
hat fast die gleiche Masse wie ein Proton, aber
keine Ladung.
Aus welchen Teilchen sind demnach Atome aufgebaut?
Atome bestehen aus einer großen Hülle und sehr
kleinem Kern. Im Teilchen-Model des Atoms bewegen sich in der Atomhülle negativ geladene Teilchen,
Elektronen e - auf festgelegten Bahnen. Im Kern (lat.
nucleus) befinden sich die massereichen Nukleonen.
Zu den Nukleonen gehören die einfach positiv geladenen Protonen p+ und die neutral geladenen
Neutronen n0
Was versteht man unter dem Begriff Isotop?
Ein Isotop ist ein Atom mit einer bestimmten Protonen- und Neutronenzahl. Alle Isotope eines Elements haben die gleiche Protonenzahl, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen.
Wie erklärt man, dass die Masse der Isotope nahezu
ganzzahlig ist, das Element Chlor jedoch die molare
Masse M = 35,5 g/mol besitzt?
Die natürlichen Elemente bestehen aus einer auf der
ganzen Erde nahezu gleich zusammengesetzten Mischung von unterschiedlichen Isotopen.
Es gibt ein Chlorisotop mit der Atommasse 35 U und
ein Isotop mit der Atommasse 37 u. Berechne, wie
groß die Anteile der Isotope an der natürlichen Zusammensetzung mit der mittleren Atommasse 35,5 u
ist.
(1) Anteil x + Anteil y = gesamt 1;
(2) X * 35 + y * 37 = 35,5
(3) X * 35 + (1-x) * 37 = 35,5
(4) 35x-37x = 35,5 –37
(5) -2x = -1,5 ;
Es gibt 0,75 Teile Chlor 35 und 0,25 Teile Chlor 37.
© 2005-2007 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; Lernkartei
14.05.16
Letzte Änderung 24.05.2007
14.05.16
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101c
Isotope
Isotope
14.05.16
101c
Isotope
Um für Isotope auch Symbole benutzen zu können,
werden die chemischen Symbole mit zwei Zahlen
ergänzt.
Das Symbol Cl steht für die chemische Bezeichnung
eines Chlor-Atoms. Die vor dem Symbol tief gestellte Zahl ist die Protonenzahl.
Welche Angaben kann man aus diesem Symbol ablesen?
Die vor dem Symbol hoch gestellte Zahl gibt die
Anzahl der Nukleonen im Kern an. Dieses ChlorAtom besitzt 35 Nukleonen.
14.05.16
Die Differenz der Nukleonenzahl und der Protonenzahl gibt die Anzahl der Neutronen an. Dieses
Chlor-Atom besitzt also 15 Neutronen.
Außerdem besitzt dieses Chloratom in seiner Atomhülle noch 17 Elektronen, weil es sich um ein
elektrisch neutrales Atom handelt.
Die Anzahl der Protonen, hier 17, ist auch die Ordnungszahl des Elements Chlor in seiner Stellung im
Periodensystem. Alle Chlor-Atome besitzen 17 Protonen im Kern.
Die drei Isotope des Wasserstoffs haben eigenen
Namen?
Wie heißen sie und wodurch unterscheiden sie sich?
Der „leichte Wasserstoff“ besteht aus Atomen mit nur
einem Proton im Kern (selten „Protium“ genannt).
Der „schwere Wasserstoff“, auch Deuterium genannt, hat einen Atomkern mit einem Proton und einem Neutron (0,015% in der Natur).
Der „überschwere Wasserstoff“, Tritium genannt, hat
einen Atomkern mit einem Proton und zwei Neutronen.
Was versteht man unter „schwerem Wasser“?
Als „schweres Wasser“ bezeichnet man Wasser, das
zwei Deuterium-Atome besitzt: D2O
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Isotope
14.05.16
101d
Isotope
Welche Bedeutung hat das Deuterium in der Chemie?
Deuterium ist ein stabiles Isotop des Wasserstoffs.
Man kann gezielt leichte Wasserstoffatome gegen
Deuterium austauschen. Im weiteren Verlauf chemischer Reaktionen kann man dann mit einem Massenspektrometer den Verbleib des Deuteriums untersuchen. Das macht man zum Beipiel bei Medikamenten. Diese wirken dann chemisch normal weiter, lassen sich aber mit einem Massenspektrometer im
Stoffwechsel wiederfinden. Auf diese Art kann man
den Wirkungsmechanismus und Nebenwirkungen
besser abschätzen.
Welche Bedeutung hat das Deuterium und Tritium in
der Physik?
Mit Deuterium und Tritium wird zur Zeit untersucht, ob
mit diesen beiden Isotopen die Energieproduktion der
Sonne (Kernverschmelzung, „Wasserstoff-Bombe“)
technisch beherrschbar in Kernkraftwerken nutzbar
ist.
Welche militärische Bedeutung haben die Wasserstoffisotope?
Besonders das Wasserstoffisotop Deuterium wird für
die sogenannte Wasserstoff-Bomben eingesetzt.
Man bringt dazu in das Zentrum einer Atombombe
eine kleine Portion Lithiumdeuterid LiD. Durch die
ungeheuer großen Temperatur und Drucke werden
die Lithium und Deuterium-Atome zu Helium-Atomen
umgewandelt. Dabei wird etwa das 1000fache der
Atombomben-Energie zusätzlich frei.
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Letzte Änderung 24.05.2007
14.05.16
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101e
Isotope
Uran-Isotope
14.05.16
101e
Uran-Isotope
Aus welchen natürlichen Isotope besteht das Uran?
Wie ist die Zusammensetzung der Urankerne?
Uran hat die Ordnungszahl 92. Es besteht demnach
aus 92 Protonen im Kern. Natürliche Uran-Isotope
haben die Nukleonenzahl U-238 (99,2%) und U-235
(0,8%). Das U-238 besitzt daher (239-92) = 147
Neutronen, das U-235 besitzt (235-92) = 143 Neutronen.
Wer entdeckte die Kernspaltung schwerer Atomkerne?
Unter welchen Bedingungen tritt die Kernspaltung
auf?
Otto Hahn und Hugo Strassmann entdeckten, das
langsame (thermische) Neutronen vom U-235 eingefangen werden. Daraufhin bildet sich das instabile U236-Isotop. Dieses zerfällt in einigen Minuten bis
Stunden zu zwei Bruchstücken, die in der Regel aus
einem Bruchstück mit der Masse um 140 und einem
mit der Masse um 90 bestehen.
Hahn und Strassmann identifizierten durch Mitfällung
von Barium, den Zerfall in Barium-139 und Kryton-94.
Hierbei werden drei Neutronen und erhebliche Mengen Energie frei.
Was versteht man unter Mitfällung?
Wenn man zu einer homogenen Lösung, in der man
wenige Erdalkali-Atome von Radium vermutet, größere Mengen des homologen Elements Barium hinzugibt und dann mit Schwefelsäure das Barium als Sulfat fällt, sollten die wenigen Radiumatome mit gefällt
werden und sich dabei anreichern.
Unter welchen Bedingungen entwickelt sich eine Kettenreaktion?
U-235 zerfällt nach einem Einfang thermischer Neutronen in kurzer Zeit, U-238 zerfällt dagegen nur sehr
langsam. Um eine Kettenreaktion in Gang zu setzten,
sollte das U-235 zu einem Anteil von mehr als 4% um
Uran angereichert sein. Auch muss man die freiwerdenden schnellen Neutronen durch Stöße abgebremst werden, damit sie von U-235 absorbiert werden können. Das geschieht durch Paraffin (Hahn und
Strassmann), schweres Wasser oder Graphit.
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Isotope
Wie wird das Uran-235 angereicht?
Welche chemische Reaktion wird zur Herstellung von
Uranhexafluorid verwendet?
Warum ist das Element Fluor für Zentrifugentrennung
des Urans besonders gut geeignet?
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14.05.16
101f
Uran-Isotope
Die Anreicherung von U-235 von 0,8% auf über 4%
geschieht in Gaszentrifugen, die ähnlich gebaut sind
wie Zetrifugenstaubsauger. Das Gas Uranhexafluorid
UF6 wird zusammen mit Wasserstoff H2 in Zentrifugen in schnelle Rotation versetzt. Dabei tritt das etwas schwerere 238UF6 durch die größeren Fliehkräfte
an der Wand häufiger auf, das leichtere 235UF6 wird
dagegen in der Mitte angereichert. Da der Masseunterschied relativ klein ist (weniger 1%), müssen sehr
viele Zentrifugen hintereinander geschaltet werden ,
um die Anreicherung auf 4% zu erhalten.
Das natürliche Uran wird zunächst in Urantrioxid UO3
umgewandelt und greinigt. Anschließend wird das
feste Uranoxid mit Flusssäure (HF,aq) in gasförmiges
Uranhexafluorid umgesetzt.
UO3 + 6HF --> UF6 + 3 H2O
Das natürliche Element Fluor besteht zu fast 100%
aus dem Isotop 19F. Dadurch wird die Massedifferenz
von UF6 ausschlißlich durch die Uranisotope bestimmt.
Letzte Änderung 24.05.2007
14.05.16
14.05.16