1.4 ISOTOPE UND IONEN
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01 ATOME – TEILCHEN DES UNIVERSUMS 1.4 ISOTOPE UND IONEN Von jedem Element gibt es Isotope und Ionen. In diesen Formen haben sie zum Teil ganz ande‑ re ­ Eigenschaften. Das ist sicher ein Grund dafür, warum es in unserer Natur eine so große Vielfalt von Stoffen gibt. Isotope Isotope sind Atome des gleichen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben aber die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen. Wie schon erwähnt, beeinflussen vor allem die Elektronen das chemische Verhalten von Atomen. Weil Isotope eines Elements dieselbe Anzahl an Elektronen haben, reagieren die Isotope eines Elements chemisch gleich. Isotope in der medizinischen ­Forschung Zur Überprüfung eines neuen Medikaments werden Isotope verwendet. So tauscht man zum Beispiel C‑12-Atome gegen die radioaktiven Isotope C-14 aus. Aufgrund der gleichen chemischen Eigenschaften verhält sich das Isotopenmedikament im Körper ganz gleich. Da C-14 jedoch Strahlung abgibt, können der Weg und die Ausscheidung eines Isotopenmedikaments durch den menschlichen Körper verfolgt werden. Nachdem die Wirkung des Medikaments er‑ forscht wurde, werden die Isotope wieder gegen die „normalen“ Atome ausgetauscht. Wenn keine schä‑ digenden Nebenwirkungen auftraten, wird das Medi‑ kament für den Markt freigegeben. C-12 gegen C-14 ausgetauscht Abb. 17 Medikament mit einem C-14-Atom Ionen Abb. 15 Isotope von Kohlenstoff Physikalisch unterscheiden sich die Isotope ei‑ nes Elements aber durch ihre Masse, weil sie un‑ terschiedlich viele Neutronen enthalten. Sind in einem Atomkern viel mehr oder viel weniger Neutronen als Protonen vorhanden, zerfallen diese Isotope in andere Atome und geben da‑ bei Strahlung ab. Diese Eigenschaft nennt man Radioaktivität. Isotope eines Elements werden wie das Element und zusätzlich mit der Anzahl ihrer Kernteilchen (Proto‑ nen + Neutronen) bezeichnet, z. B. C-14. Ionen unterscheiden sich von neutralen Atomen des gleichen Elements nur durch ihre Elektronenzahl. Somit sind Ionen nicht neutral, sondern elektrisch geladen. Die Ladung wird nach dem Elementsymbol rechts oben angeschrieben. Sie wird durch eine hochge‑ stellte arabische Ziffer mit nachstehendem Plusoder Minuszeichen angegeben (z. B. O2—). ElementsymbolLadung Ionen mit Elektronenüberschuss. Sind mehr nega‑ tiv geladene Elektronen als positiv geladene Proto‑ nen vorhanden, überwiegt die negative Ladung. Ne‑ gativ geladene Ionen nennt man Anionen. 1 Elektron wird aufgenommen Isotope des Kohlenstoffs Anzahl der Protonen / ­Neutronen / Elektronen C-12 6/6/6 C-13 6/7/6 C-14 6/8/6 Abb. 16 Kohlenstoff(C)-Isotope und ihre Zusammensetzung 14 Elektron Proton Neutron Cl-Atom mit 17 Protonen und 17 Elektronen Cl –-Ion mit 17 Protonen und 18 Elektronen Abb. 18 Skizze eines Anions mit Elektronenüberschuss ATOME – TEILCHEN DES UNIVERSUMS Ionen mit Elektronenmangel. Sind weniger negativ geladene Elektronen als positiv geladene Protonen vorhanden, überwiegt die positive Ladung. Positiv geladene Ionen nennt man Kationen. 1 Elektron wird abgegeben Elektron Proton Neutron Li+-Ion mit 3 Protonen und nur 2 Elektronen Li-Atom mit 3 Protonen und 3 Elektronen Abb. 19 Skizze eines Kations mit Elektronenmangel Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen besteht. Da Salze oft wasserlöslich sind, findet man viele davon auch im Wasser. Hinweise zur Ermittlung der Protonenund Elektronenzahl von Ionen 1. D ie Protonenzahl entspricht der Ordnungszahl des Elements. Diese bleibt bei chemischen Reak‑ tionen immer gleich. 2. Die Elektronenzahl ergibt sich aus der Ladungs‑ zahl: Minus bedeutet einen negativen Ladungsüber‑ schuss: mehr Elektronen als Protonen. Plus bedeutet einen positiven Ladungsüber‑ schuss: weniger Elektronen als Protonen. In der folgenden Tabelle sind wichtige Ionen auf­ gelistet. F— 9 Protonen 10 Elektronen Elektronen‑ überschuss Anion O2— 8 Protonen 10 Elektronen Elektronen‑ überschuss Anion Mg2+ 12 Protonen 10 Elektronen Elektronen‑ mangel Kation H+ kein Elektron Kation 1 Proton Elektronen‑ mangel Abb. 20 Beispiele für wichtige Kationen und Anionen Um sich die Ladung von Kationen und Anionen merken zu können, findest Du am Kapitelende drei Merkhilfen. In der Natur kommen Ionen überall vor. Meist bil‑ den Ionen Salze, wie zum Beispiel Kochsalz, das aus Auf den Punkt gebracht! 1) Von Kohlenstoff gibt es drei Isotope. ­Erkläre, wodurch sie sich unterscheiden. 2)Erkläre den Unterschied zwischen einem Kation und einem Anion. 2)Vom Sauerstoff gibt es auch ein Sauerstoff-Ion. Erkläre, wodurch sich das Sauerstoff-Atom vom Sauerstoff-Ion unterscheidet. 4)Nenne die Anzahl der Protonen, Elektronen und Neutronen von Chlor-37 und Kalium-40. Nimm das Periodensystem zu Hilfe. 5)Nenne die Anzahl der Protonen und Elektronen von N3–, K+, Fe2+ und C4–. Nimm das Perioden­ system zu Hilfe. Summary Ändert sich die Protonenzahl im Kern, erhält man ein anderes Element. By changing the number of protons in the nucleus, you get another element. Ändert sich die Neutronenzahl im Kern, erhält man ein Isotop. Isotope eines Elements haben die gleichen che­­m­ischen Eigenschaften. Viele Isotope zerfallen in ein an‑ deres Element und geben dabei radioaktive Strahlung ab. By changing the number of neutrons in the nucleus, you get an isotope. Isotopes of an element have the same chemical characteristics. Many isotopes can collapse into another element and emit radioactive radiation. Ändert sich die Elektronenzahl in der Atomhülle, erhält man ein Ion. Ionen sind bei Elektronenmangel positiv (Kationen) und bei Elektronenüberschuss negativ (Anio‑ nen) geladen. By changing the number of electrons in the atom, you get an ion. Ions are positively charged when electrons are missing (cations) and negatively charged when there is an electron excess (anions). 15