Die Entstehung der Elemente - Lehrstuhl für Anorganische Chemie

Anorganische Chemie
in
Prinzipien und Methoden der
Chemie
Die wissenschaftliche Methodik
I.
Beobachtung
II. Theorie
(Erklärung der Beobachtung)
III. Experimentelle Überprüfung
(Planung, Durchführung, Auswertung)
Erkennen fehlerhafter Theorien:
a) Reproduzierbarkeit des Experiments
b) statistische Überprüfung
If it disagrees with experiment, it is wrong !
(R. Feynman)
Die Entstehung der Elemente - Urknalltheorie
Die Entstehung der Elemente - Urknalltheorie
Die Entstehung der Elemente – Sterne als Wiege der Elemente
Häufigkeitsverteilung der Elemente
 H: 90 %; He: ca. 10 %; große Häufigkeit, da Produkt des He-Brennens
(Proton-Proton-Prozess, Bethe-Weizsäcker-Zyklus)
 Exponentieller Abfall bis A=50: Coulomb-Barierre.
 Li, B, Be sehr selten: Zerstörung durch Kernreaktionen schon bei geringen Temperaturen möglich
 Maximum bei Eisen-56: Stabilstes Element. Bei hohen Temperaturen überleben bevorzugt Elemente mit
der höchsten Bindungsenergie pro Nukleon.
Die Bindung im Kern
 Der Kern enthält Protonen (11p) und Neutronen (01n).
Problem: Positive Ladungen stoßen sich ab!
 H. Yukawa: Kernbindung durch Austausch von p-Mesonen
 Bindungsenergie und Massendefekt:
Einsteinsches Gesetz der Äquivalenz von Masse und Energie
E = m • c2;
E [J],
m [kg],
c = 3•108 ms-1
Die Masse eines Nuklids ist stets kleiner als die Summe der Massen seiner Bausteine;
die Massendifferenz ("Massendefekt") wird in Kernbindungsenergie umgewandelt.
z. B. m(2•p + 2•n) = 4.029108 u;
aber : m(24He) = 4.00260 u
Dm = 0.026508 u =
= 28.3 MeV = 2.73•109 kJmol-1
(1 u = 931 MeV = 8.98•1010 kJmol-1)
Sonne: H-Verbrennung: 6•1011 kgs-1
 Dm = 4•109 kgs-1
DE = 3.6•1023 kJs-1
Nuklide
112 Elemente
ca. 1900 Nuklide ( = unterschiedliche Atomkerne)
davon:
340 natürliche
270 stabil
 Die meisten Elemente sind Mischelemente!
Indizierung
Massenzahl
Kernladung
Ladungszahl(Ionen)
E lementsymbol
20 Reinelemente
(alle außer Beryllium besitzen ungerade Ordnungszahlen):
Be, F, Na, Al, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi
Einteilung von Nukliden:
Protonenzahl
(p)
Neutronenzahl
(n)
Nukleonenzahl
(m = p+n)
Bezeichnung
gleich
verschieden
verschieden
Isotope
gleich
gleich
gleich
Isomere
verschieden
verschieden
gleich
Isobare
verschieden
gleich
verschieden
Isotone
Isotopie-Effekte
a) physikalische
Gravitationswirkung auf höhere Masse, z. B.
H2 0
D2O
Fp.
0.00 °C
3.82 °C
Kp.
100.0 °C
101.42 °C
Anteil leichterer Nuklide (1H; 16O) im Dampf größer als im flüssigen Wasser
Mit grösserer geograph. Breite/Distanz zum Meer sind Niederschläge verarmt an schweren Isotopen.
b) chemische
Masse bestimmt harmonische Schwingungsfrequenz
f  2p
k
m
leichtere Nuklide eines Elements zeigen höhere Reaktionsfähigkeit
Geochemisches Beispiel:
Schwefellagerstätten in Texas, besitzen überdurchschnittlich hohes 32S/34S - Verhältnis. Grund:
bakteriell reduziertes Sulfatsediment.
Generell Variation der Isotopenmasse bei Mischelementen:
natürlich:
künstlich:
O, S, Ar, Cu, Pb
H, Li, B, C, N, Ne, Kr, Xe, U
Isotopentrennung
Wichtige Isotope:
1
1
H1; 21H(  D) 10-4 ; 31H= T 1018 
12
6
C1; 136 C102 ; 146 C    
235
92
U1;
238
92
U7  103 
Anreicherung eines bestimmten Isotops für spezielle Anwendungen
(Tracer-Technik, NMR-Experimente, Kernspaltung, Kernfusion)
 fraktionierte Destillation (H2O/D2O)
 Elektrolyse (H2/D2)
 Diffusion (Uran als UF6)
 Druckdiffusion
"
 Trennsäule
"
 Gaszentrifuge
"
Im allgemeinen jeweils mehrere Trenngänge notwending!
Einzig komplette Trennung: Massenspektrometrie!