Wat zijn isotopen en waarom zijn ze belangrijk?
Isotopen zijn atomen van hetzelfde element met verschillende aantallen neutronen. Ze hebben hetzelfde aantal protonen, dus het zijn hetzelfde element en reageren bijna precies op dezelfde manier, maar hun massa's verschillen. Koolstof-12 en koolstof-14 zijn twee isotopen van koolstof.
Dezelfde protonen, verschillende neutronen
Elk koolstofatoom heeft 6 protonen. Dat maakt het koolstof. Maar niet alle koolstofatomen hebben hetzelfde aantal neutronen. De meeste hebben er 6, ongeveer één op de honderd heeft er 7 en een heel klein aantal heeft er 8.
Deze verschillende versies heten isotopen. Het woord komt van Griekse woorden die “dezelfde plaats” betekenen, omdat alle isotopen van een element één vakje in het periodiek systeem delen.
Neutronen hebben geen lading, dus het toevoegen of verwijderen ervan verandert het aantal elektronen niet. Scheikunde hangt af van elektronen, dus de isotopen van een element gedragen zich in reacties bijna hetzelfde. Het belangrijkste verschil tussen ze is hun massa.
Hoe isotopen worden genoemd
Een isotoop wordt genoemd naar zijn element plus zijn massagetal, het totaal van zijn protonen en neutronen. Koolstof-12 heeft 6 protonen en 6 neutronen. Koolstof-13 heeft 6 protonen en 7 neutronen. Koolstof-14 heeft 6 protonen en 8 neutronen.
Wetenschappers schrijven het massagetal ook linksboven het symbool, zoals in ¹²C en ¹⁴C. Om de neutronen te vinden trek je het atoomnummer af van het massagetal: 14 − 6 = 8 voor koolstof-14.
De isotopen van waterstof zijn bijzonder omdat ze hun eigen namen hebben. Gewoon waterstof (waterstof-1) heeft geen neutronen, deuterium (waterstof-2) heeft er één en tritium (waterstof-3) heeft er twee.
Waarom atoommassa's decimale getallen zijn
De meeste elementen in de natuur zijn een mengsel van isotopen. De atoommassa in het periodiek systeem is de gemiddelde massa van al die atomen, gewogen naar hoe vaak elke isotoop voorkomt.
Chloor is een duidelijk voorbeeld. Ongeveer drie van de vier chlooratomen zijn chloor-35 en ongeveer één op de vier is chloor-37. Het gemiddelde ligt tussen de twee, maar dichter bij 35: 35,45, het getal in het vakje van chloor.
Koolstof werkt op dezelfde manier. Ongeveer 98,9% van de koolstofatomen is koolstof-12 en ongeveer 1,1% is koolstof-13, dus de atoommassa van koolstof is 12,011, net boven 12.
Stabiele en radioactieve isotopen
Veel isotopen zijn stabiel, wat betekent dat ze nooit uit zichzelf veranderen. Andere zijn radioactief. Hun kernen zijn onstabiel, dus vroeg of laat vallen ze uiteen en geven ze straling af. Dit heet radioactief verval en het verandert het atoom vaak in een ander element.
Koolstof-14 is radioactief. Wanneer het vervalt, verandert een van de neutronen in een proton en wordt het atoom stikstof-14. De tijd waarin de helft van een monster vervalt, heet de halfwaardetijd. Voor koolstof-14 is de halfwaardetijd ongeveer 5.730 jaar.
Sommige elementen hebben helemaal geen stabiele isotopen. Technetium (43), promethium (61) en elk element dat zwaarder is dan lood (82) zijn radioactief.
Hoe isotopen worden gebruikt
Planten nemen een beetje koolstof-14 op uit de lucht, en dieren nemen het op door planten te eten. Wanneer een levend wezen sterft, neemt het geen koolstof meer op en vervalt zijn koolstof-14 langzaam. Door te meten hoeveel er nog over is, kunnen wetenschappers botten, hout en stof tot ongeveer 50.000 jaar oud dateren. Dit heet koolstofdatering.
Artsen gebruiken ook radioactieve isotopen. Technetium-99m helpt bij het maken van beelden van botten en organen, en jood-131 behandelt sommige schildklierziekten. Uranium-235, dat slechts ongeveer 0,7% van natuurlijk uranium uitmaakt, is de brandstof in de meeste kerncentrales.
Kernpunten
- Isotopen zijn atomen van hetzelfde element met hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen.
- Een isotoop wordt genoemd naar zijn massagetal, zoals koolstof-12 en koolstof-14.
- Atoommassa's zijn vooral decimale getallen omdat ze het gemiddelde zijn van de massa's van de natuurlijke isotopen van een element.
- Radioactieve isotopen vervallen na verloop van tijd; koolstof-14 heeft een halfwaardetijd van ongeveer 5.730 jaar.
- Isotopen worden gebruikt om oude voorwerpen te dateren, om ziekten te diagnosticeren en te behandelen en als brandstof voor kerncentrales.
Test jezelf
Drie snelle vragen over deze les.
1. Wat verschilt er tussen twee isotopen van hetzelfde element?
Toon het antwoord
Het aantal neutronen — Isotopen van een element hebben hetzelfde aantal protonen maar verschillende aantallen neutronen.2. Hoeveel neutronen heeft een koolstof-14-atoom?
Toon het antwoord
8 — Koolstof heeft 6 protonen, dus koolstof-14 heeft 14 − 6 = 8 neutronen.3. Waarom is de atoommassa van chloor 35,45 en geen geheel getal?