Einführende Chemie – 1. Kanadische Ausgabe

In Kapitel 3 „Atome, Moleküle und Ionen“ haben wir gesehen, dass Atome aus subatomaren Teilchen bestehen – Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen befinden sich im Kern und machen den größten Teil der Masse eines Atoms aus, während die Elektronen den Kern in Schalen und Unterschalen umkreisen und für die Größe eines Atoms verantwortlich sind.

In Kapitel 3 „Atome, Moleküle und Ionen“ haben wir auch die Notation eingeführt, mit der man ein Isotop eines bestimmten Atoms kurz darstellen kann:

612C

Das Element in diesem Beispiel, dargestellt durch das Symbol C, ist Kohlenstoff. Seine Ordnungszahl, 6, ist der tiefgestellte Index neben dem Symbol und gibt die Anzahl der Protonen im Atom an. Die Massenzahl, die hochgestellte Zahl neben dem Symbol, ist die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen im Atomkern dieses speziellen Isotops. In diesem Fall ist die Massenzahl 12, was bedeutet, dass die Anzahl der Neutronen im Atom 12 – 6 = 6 beträgt (d. h. die Massenzahl des Atoms minus die Anzahl der Protonen im Kern ist gleich der Anzahl der Neutronen). Gelegentlich wird die Ordnungszahl in dieser Schreibweise weggelassen, weil das Symbol des Elements selbst seine charakteristische Ordnungszahl vermittelt. Die beiden Isotope des Wasserstoffs – 2H und 3H – haben eigene Namen und Symbole: Deuterium (D) und Tritium (T).

Die Atomtheorie des neunzehnten Jahrhunderts ging davon aus, dass die Kerne eine feste Zusammensetzung haben. Doch 1896 stellte der französische Wissenschaftler Henri Becquerel fest, dass eine Uranverbindung, die in der Nähe einer fotografischen Platte platziert wurde, ein Bild auf der Platte erzeugte, selbst wenn die Verbindung in schwarzes Tuch eingewickelt war. Er schloss daraus, dass die Uranverbindung eine Art von Strahlung abgab, die durch das Tuch hindurchging und die fotografische Platte belichtete. Weitere Untersuchungen zeigten, dass es sich bei der Strahlung um eine Kombination aus Teilchen und elektromagnetischen Strahlen handelte, deren Quelle letztlich der Atomkern war. Diese Emanationen wurden schließlich als Radioaktivität bezeichnet.

Es gibt drei Hauptformen radioaktiver Emissionen. Die erste Form ist das Alphateilchen, das durch den griechischen Buchstaben α symbolisiert wird. Ein Alphateilchen besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen und entspricht einem Heliumkern. (Wir verwenden oft 24He, um ein Alphateilchen darzustellen.) Es hat eine 2+ Ladung. Wenn ein radioaktives Atom ein Alphateilchen aussendet, verringert sich die Ordnungszahl des ursprünglichen Atoms um zwei (wegen des Verlusts von zwei Protonen) und seine Massenzahl um vier (wegen des Verlusts von vier Kernteilchen). Wir können die Emission eines Alphateilchens mit einer chemischen Gleichung darstellen – die Alphateilchenemission von Uran-235 sieht beispielsweise folgendermaßen aus:

92235U → 24He+90231Th

Anstatt diese Gleichung als chemische Gleichung zu bezeichnen, nennen wir sie Kerngleichung, um zu betonen, dass die Veränderung in einem Atomkern stattfindet. Woher wissen wir, dass ein Produkt dieser Reaktion90231Th ist? Wir verwenden das Gesetz der Erhaltung der Materie, das besagt, dass Materie weder geschaffen noch zerstört werden kann. Das bedeutet, dass auf beiden Seiten der Kerngleichung die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen vorhanden sein muss. Wenn unser Urankern 2 Protonen verliert, bleiben 90 Protonen übrig, was das Element als Thorium kennzeichnet. Wenn wir außerdem vier Kernteilchen des ursprünglichen 235 verlieren, bleiben 231 übrig. Durch Subtraktion lässt sich also das Isotop des Th-Atoms bestimmen – in diesem Fall 90231Th.

Chemiker verwenden häufig die Bezeichnungen Elternisotop und Tochterisotop, um das ursprüngliche Atom und das Produkt, das nicht das Alphateilchen ist, zu bezeichnen. Im vorherigen Beispiel ist 92235U

das Ausgangsisotop und 90231Th das Tochterisotop. Wenn sich ein Element auf diese Weise in ein anderes umwandelt, macht es einen radioaktiven Zerfall durch.

Die zweite wichtige Art der radioaktiven Emission wird Betateilchen genannt, symbolisiert durch den griechischen Buchstaben β. Ein Betateilchen ist ein Elektron, das aus dem Kern (nicht aus den Elektronenschalen um den Kern) herausgeschleudert wird und eine 1-Ladung hat. Wir können ein Betateilchen auch als -10e darstellen. Der Nettoeffekt der Betateilchenemission auf einen Kern ist, dass ein Neutron in ein Proton umgewandelt wird. Die Gesamtmassenzahl bleibt gleich, aber da sich die Anzahl der Protonen um eins erhöht, erhöht sich die Ordnungszahl um eins. Kohlenstoff-14 zerfällt durch Aussendung eines Betateilchens:

614C → 714N +-10e

Auch hier ist die Summe der Ordnungszahlen auf beiden Seiten der Gleichung gleich, ebenso die Summe der Massenzahlen. (Man beachte, dass dem Elektron eine „Ordnungszahl“ von -1 zugewiesen wird, die seiner Ladung entspricht.)

Die dritte wichtige Art radioaktiver Emission ist kein Teilchen, sondern eine sehr energiereiche Form elektromagnetischer Strahlung, die Gammastrahlen genannt wird, symbolisiert durch den griechischen Buchstaben γ. Gammastrahlen selbst tragen keine elektrische Gesamtladung, aber sie können Elektronen aus Atomen in einer Materieprobe herausschlagen und diese elektrisch aufladen (weswegen Gammastrahlen als ionisierende Strahlung bezeichnet werden). Beim radioaktiven Zerfall von Radon-222 zum Beispiel werden sowohl Alpha- als auch Gammastrahlung emittiert, wobei letztere eine Energie von 8,2 × 10-14 J pro zerfallenem Kern hat:

86222Rn → 24He + 84218Po + γ

Das mag nicht viel Energie sein, aber wenn 1 Mol Rn-Atome zerfallen würde, wäre die Gammastrahlenenergie 4.9 × 107 kJ!

Alpha-, Beta- und Gammastrahlen haben unterschiedliche Fähigkeiten, Materie zu durchdringen. Das relativ große Alphateilchen wird von der Materie leicht aufgehalten (obwohl es der Materie, mit der es in Berührung kommt, eine beträchtliche Menge an Energie zuführen kann). Betateilchen dringen nur geringfügig in Materie ein, vielleicht höchstens ein paar Zentimeter. Gammastrahlen können tief in die Materie eindringen und eine große Menge an Energie in die umgebende Materie abgeben. Tabelle 15.1 „Die drei Hauptformen radioaktiver Emissionen“ fasst die Eigenschaften der drei Hauptarten radioaktiver Emissionen zusammen.

Gelegentlich, bricht ein Atomkern in einem radioaktiven Prozess, der als spontane Spaltung bezeichnet wird, in kleinere Teile auseinander. Bei den durch die Spaltung erzeugten Tochterisotopen handelt es sich in der Regel um eine bunte Mischung von Produkten und nicht um ein bestimmtes Isotop wie bei der Emission von Alpha- und Betateilchen. Häufig entstehen bei der Spaltung überschüssige Neutronen, die manchmal von anderen Kernen eingefangen werden, was zu weiteren radioaktiven Ereignissen führen kann. Uran-235 unterliegt in geringem Umfang der spontanen Spaltung. Eine typische Reaktion ist

92235U → 56139Ba + 3694Kr + 2 01n

wobei 01n ein Neutron ist. Wie bei jedem Kernprozess müssen die Summen der Ordnungszahlen und der Massenzahlen auf beiden Seiten der Gleichung gleich sein. Spontane Spaltung findet nur in großen Kernen statt. Der kleinste Kern, der eine spontane Spaltung aufweist, ist Blei-208. (Die Spaltung ist der radioaktive Prozess, der in Kernkraftwerken und einer Art von Atombombe verwendet wird.)