Isotope und Atommasse

Im Periodensystem steht für Chlor etwa 35.45, doch kein einziges Chloratom wiegt 35.45. Jedes ist entweder Chlor-35 oder Chlor-37.

Gleiches Element, verschiedene Massen

Isotope eines Elements haben gleich viele Protonen und Elektronen und verhalten sich deshalb bei Reaktionen gleich. Sie unterscheiden sich nur in den Neutronen, und das ändert ihre Masse. Wasserstoff zeigt das deutlich. Gewöhnlicher Wasserstoff hat überhaupt kein Neutron. Deuterium hat eines und ist etwa doppelt so schwer. Tritium hat zwei und ist radioaktiv. NIST misst, dass natürlicher Wasserstoff zu 99.9885% aus der einfachen Sorte und zu 0.0115% aus Deuterium besteht.

Woher die 35.45 kommt

Die Atommasse im Periodensystem ist ein Durchschnitt über alle Atome dieses Elements, die in der Natur vorkommen, gewichtet danach, wie häufig jedes Isotop ist. Massen misst man in atomaren Masseneinheiten, wobei ein Kohlenstoff-12-Atom genau 12 hat. Für Chlor gibt NIST Chlor-35 die Masse 34.969 und einen Anteil von 75.76%, Chlor-37 die Masse 36.966 und einen Anteil von 24.24%.

Multipliziere jede Masse mit ihrem Anteil und addiere: 34.969 × 0.7576 + 36.966 × 0.2424 ≈ 26.49 + 8.96 ≈ 35.45. Weil drei von vier Chloratomen die leichtere Sorte sind, liegt der Durchschnitt viel näher an 35 als an 37. Dieselbe Rechnung für Kohlenstoff, 12 × 0.9893 + 13.003 × 0.0107, ergibt etwa 12.011. Deshalb steht Kohlenstoff ein wenig über 12 in der Tabelle.

Achte darauf, dass die Isotopenmassen nah an ganzen Zahlen liegen, aber nicht genau gleich sind. Chlor-35 hat die Massenzahl 35, eine einfache Zählung aus 17 Protonen und 18 Neutronen, doch seine gemessene Masse beträgt 34.969. Massenzahlen sind immer ganze Zahlen, gemessene Massen nicht, weil Protonen und Neutronen nicht genau je 1 Einheit wiegen und ein Teil der Masse für den Zusammenhalt des Kerns aufgebraucht wird.

NIST gibt für Chlor keine einzelne Atommasse an, sondern einen Bereich von 35.446 bis 35.457, weil der Anteil von Chlor-37 zwischen Proben von verschiedenen Orten leicht schwankt. Für die alltägliche Arbeit runden Chemiker auf 35.45. Einige andere Elemente, darunter Wasserstoff und Kohlenstoff, werden aus demselben Grund mit Bereichen angegeben.

Instabile Isotope

Manche Isotope sind instabil und verwandeln sich langsam in andere Elemente, indem sie Strahlung abgeben. Kohlenstoff-14 ist eines davon. NIST hält fest, dass sich die Hälfte jeder Menge Kohlenstoff-14 innerhalb von 5730 Jahren in Stickstoff-14 umwandelt. Diese gleichbleibende Rate heißt Halbwertszeit. Lebewesen nehmen ihr Leben lang Kohlenstoff auf, darunter einen winzigen Anteil Kohlenstoff-14. Nach ihrem Tod wird der Kohlenstoff-14 nicht mehr nachgefüllt, und sein Anteil halbiert sich alle 5730 Jahre. Misst man, wie viel davon noch übrig ist, erfahren Archäologen, wie alt ein Knochen, ein Samen oder eine alte Feuerstelle ist.

Die meisten Isotope, denen du begegnest, sind stabil. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-13 verändern sich nie von selbst, und das gilt auch für die beiden Chlor-Isotope sowie für gewöhnlichen Wasserstoff und Deuterium. Von den acht Isotopen in der Tabelle oben (D ist Deuterium und T Tritium; die Anteile sind NIST-Werte) sind nur Tritium und Kohlenstoff-14 radioaktiv.