Was Neutronen verändern

Gleiche Protonenzahl, andere Kerne

Magnesium-24 und Magnesium-26 haben jeweils zwölf Protonen. Neutral besitzen beide zwölf Elektronen; der Unterschied liegt in den Neutronen. Ausgehend davon untersuchen wir, welche Wirkungen dieser Unterschied haben kann.

Wozu sind Neutronen im Kern da?

Neutronen tragen keine elektrische Nettoladung. Sie liefern deshalb keine zusätzliche positive Kernladung, die Elektronen anziehen würde. Sie tragen aber zur Masse und zur Bindung des Kerns bei: Zwischen den Kernteilchen wirkt auf sehr kurze Entfernung eine starke anziehende Kernkraft. Neutronen können daran teilnehmen, ohne die elektrische Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen zu erhöhen.

Ob ein Kern stabil ist, hängt unter anderem vom Verhältnis und der Anordnung seiner Protonen und Neutronen ab. Mehr Neutronen bedeuten deshalb nicht automatisch mehr Stabilität. Ein ungünstiges Verhältnis kann einen Kern instabil machen. Dann kann er sich durch radioaktiven Zerfall umwandeln. Isotop bedeutet aber nicht radioaktiv: Die drei hier gezeigten Magnesiumisotope sind stabil.

Sind die Elektronenhüllen von Isotopen gleich?

In ihrer grundlegenden Besetzung ja; bis ins letzte messbare Detail nein. Vergleichen wir neutrale Magnesiumisotope im Grundzustand, haben alle zwölf Elektronen mit der Besetzung 2 | 8 | 2. Ein zusätzliches Neutron verlangt kein zusätzliches Elektron, denn es bringt keine zusätzliche Ladung mit. Es eröffnet auch keine neue Elektronenschale.

Damit bleibt die grundlegende chemische Verwandtschaft erhalten: Alle drei Magnesiumisotope können beispielsweise zweifach positiv geladene Magnesiumionen bilden. „Sehr ähnliche Chemie“ ist jedoch genauer als „in jeder Hinsicht identische Chemie“.

Gleiche Bedingungen vergleichen: Ein neutrales Atom und ein Ion können unterschiedlich viele Elektronen besitzen. Ein angeregtes Atom hat Energie aufgenommen und kann eine andere Besetzung haben. Solche Unterschiede entstehen nicht schon dadurch, dass es sich um verschiedene Isotope handelt.

Wie kann die andere Masse trotzdem die Chemie beeinflussen?

In einem Molekül bewegen sich auch die Kerne: Die Abstände zwischen gebundenen Atomen können schwingen. Anschaulich ähnelt das zwei Gewichten an einer Feder. Ersetzt man eines durch ein schwereres Isotop, verändert sich die Schwingung, obwohl dieselben Arten von Bindungen möglich bleiben. Die Feder ist ein Vergleich, keine tatsächliche Feder zwischen Atomen.

Das beeinflusst die Energien der Schwingungszustände. Daher können sich Reaktionsgeschwindigkeiten und chemische Gleichgewichte verändern. Eine Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell Stoffe umgesetzt werden. Ein Gleichgewicht beschreibt das beständige Mengenverhältnis, das sich bei gleichzeitig ablaufender Hin- und Rückreaktion einstellt. Unterschiede durch Isotopenaustausch heißen Isotopeneffekte. Den Zusammenhang mit der Kernbewegung erläutert das IUPAC Gold Book zum thermodynamischen Isotopeneffekt.

Beispiel Wasserstoff: Wasserstoff-1 hat ein Proton und kein Neutron. Deuterium, also Wasserstoff-2, hat zusätzlich ein Neutron und ungefähr die doppelte Atommasse. Beide neutralen Atome besitzen ein Elektron. D ist ein gebräuchliches Zeichen für Deuterium, kein eigenes Elementsymbol für ein neues Element. In schwerem Wasser D₂O ersetzen zwei Deuteriumatome die beiden Wasserstoff-1-Atome. Es bleibt eine Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff, doch ihre Eigenschaften sind nicht überall gleich.

Wenn in einem für die Reaktionsgeschwindigkeit entscheidenden Schritt eine Bindung zu Wasserstoff gelöst wird, kann ihr Ersatz durch Deuterium die Reaktion merklich verlangsamen. Wie groß der Effekt ist und in welche Richtung er geht, hängt von der Reaktion ab; „schwerer reagiert immer langsamer“ wäre falsch. Siehe IUPAC: primärer Isotopeneffekt.

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Isotope teilen ihren Tabellenplatz. Ihre Masse und Kernstruktur können dennoch messbare Unterschiede bewirken. Zurück zu Kapitel 1.