Isotope, Massenzahl und Massenspektrum

Isotopes, Mass Number, and Mass Spectrum

Chemie Klasse 9 11 Aufgaben
IsotopeAtommasseKernchemieKerncurriculum

Die Kinder zählen Protonen und Neutronen aus der Schreibweise ³⁵Cl und ³⁷Cl und sehen: gleiches Element, gleiche Protonenzahl, verschiedene Masse — Isotope. Am Massenspektrum lesen sie die Häufigkeiten ab und erklären damit die „krumme" Atommasse 35,45 u im Periodensystem als gewichteten Mittelwert. Das Topic verhindert zwei verbreitete Verwechslungen: Isotop vs. Ion (Neutronen vs. Elektronen ändern sich) und „ein Element hat genau eine Masse". Die ¹⁴C-Methode verbindet es mit der Geschichte (Datierung von Funden) und mit der Physik (`radioaktivitaet`). Bereitet die molare Masse in `quantitative-chemie` vor.

Voraussetzungen (1)

Atombau und Periodensystem – Vertiefung
Klasse 9
›
Leicht
Lückentext #1 15s ▶ Testen

Die Massenzahl eines Atoms ist die Summe aus Protonenzahl und ___.

✓ Antwort: Neutronenzahl
Massenzahl A = Z + N. Sie wird oben links neben das Elementsymbol geschrieben, z. B. š²C oder ³⁾Cl. Die Ordnungszahl Z (unten links) gibt die Protonenzahl. Beide zusammen kennzeichnen ein Isotop eindeutig.
Lückentext #2 15s ▶ Testen

Ein ²³⁸U-Atom hat 3 Neutronen mehr als ein ²³⁾U-Atom mit seinen 92 Protonen. Das neutrale ²³⁸U-Atom hat ___ Elektronen.

✓ Antwort: 92
92, genau wie ²³⁵U. Ein neutrales Atom hat so viele Elektronen wie Protonen. Neutronen sind elektrisch neutral und verändern nur die Masse des Kerns — 95 Elektronen wären es nur, wenn jedes Neutron ein Elektron mitbrächte.
Mittel
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Welches Teilchen ist ein Isotop des Atoms ⁴⁰Ca (20 Protonen, 20 Neutronen, 20 Elektronen)?

  • ● 20 Protonen, 22 Neutronen, 20 Elektronen
  • ○ 20 Protonen, 20 Neutronen, 18 Elektronen
  • ○ 19 Protonen, 21 Neutronen, 19 Elektronen
Isotope haben dieselbe Protonenzahl und eine andere Neutronenzahl — das ist ⁴²Ca. Mit zwei Elektronen weniger wäre es das Ion Ca²⁺, kein Isotop. 19 Protonen sind ein anderes Element (Kalium, ⁴⁰K), auch wenn die Massenzahl 40 gleich ist.
Multiple Choice #2 20s ▶ Testen

Wie viele Neutronen enthält der Kern eines ³⁾Cl-Atoms (Ordnungszahl 17)?

  • ● 18
  • ○ 17
  • ○ 35
  • ○ 52
N = A − Z = 35 − 17 = 18. Chlor hat zwei häufige Isotope: ³⁵Cl (75,8 %) mit 18 Neutronen und ³⁷Cl (24,2 %) mit 20 Neutronen. Die Mischung erklärt die krumme relative Atommasse von 35,45 u im Periodensystem.
Wahr / Falsch #3 20s ▶ Testen

Verschiedene Isotope eines Elements haben praktisch dieselben chemischen Eigenschaften, aber unterschiedliche Massen.

✓ Wahr
Richtig — die Chemie eines Atoms wird (fast nur) von seiner Elektronenhülle bestimmt, die hängt nur von der Protonenzahl ab. Neutronen ändern die Masse, beeinflussen aber nicht, wie sich das Atom im Periodensystem verhält. Daher kann ²H (D) Wasserstoff in nahezu allen Reaktionen ersetzen — die Reaktion läuft aber messbar langsamer (muss dabei eine C–H-Bindung brechen, ist die C–D-Variante oft 6- bis 8-mal langsamer).
Multiple Choice #4 30s ▶ Testen

Was zeigt ein Massenspektrum?

  • ● Die Häufigkeit der einzelnen Isotope (oder BruchstĂźcke) eines Stoffes, aufgetragen gegen ihre Masse.
  • ○ Die elektrische Leitfähigkeit eines Stoffes.
  • ○ Den Schmelzpunkt von Verbindungen.
  • ○ Die Farbe eines Elementspektrums.
Ein Massenspektrometer ionisiert die Probe und trennt die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) in einem Magnetfeld. Das Spektrogramm zeigt für jede Ionenmasse einen Peak — bei Chlor zwei Peaks bei m/z = 35 und 37 im Verhältnis 3:1.
Wahr / Falsch #5 20s ▶ Testen

Atome eines Elements können sich in der Elektronenzahl unterscheiden — dann nennt man sie Isotope.

✓ Falsch
Falsch. Atome mit unterschiedlicher Elektronenzahl bei gleicher Protonenzahl sind *Ionen*, keine Isotope. Isotope unterscheiden sich nur in der Anzahl der Neutronen im Kern — also in der Massenzahl, nicht in der Ladung.
Schwer
Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Natßrliches Bor besteht zu etwa 20 % aus š⁰B und zu 80 % aus ššB. Welche Atommasse steht fßr Bor im Periodensystem?

  • ● Etwa 10,8 u
  • ○ Etwa 10,5 u
  • ○ Etwa 11,0 u
Die Atommasse im Periodensystem ist der nach Häufigkeit gewichtete Mittelwert aller natürlichen Isotope: 0,20 · 10 u + 0,80 · 11 u = 2,0 u + 8,8 u = 10,8 u. Deshalb ist sie „krumm“. 10,5 u wäre der einfache Mittelwert ohne Gewichtung, 11,0 u nur das häufigste Isotop.
Lückentext #2 20s ▶ Testen

Atome mit unterschiedlicher Protonenzahl, aber gleicher Massenzahl heißen ___.

✓ Antwort: Isobare
Beispiel: ⁴⁰Ar (18 Protonen, 22 Neutronen) und ⁴⁰K (19 Protonen, 21 Neutronen) sind Isobare. Sie sind chemisch verschiedene Elemente, haben aber die gleiche Massenzahl und kÜnnen in einem Massenspektrometer nur mit hoher AuflÜsung getrennt werden. (Nicht zu verwechseln mit Isotopen!)
Multiple Choice #3 35s ▶ Testen

Was ist Radiocarbondatierung (š⁴C-Methode) im Kern?

  • ● Das Verhältnis von š⁴C zu š²C in einer Probe nimmt seit dem Tod des Lebewesens durch radioaktiven Zerfall ab. Aus dem Restanteil berechnet man das Alter.
  • ○ Die Verwitterung der Probe wird gemessen.
  • ○ Die Farbe der Probe wird mit Tabellen verglichen.
  • ○ Man zählt die Jahresringe.
Lebende Organismen tauschen ständig Kohlenstoff mit der Atmosphäre aus — dort herrscht ein konstantes ¹⁴C/¹²C-Verhältnis. Nach dem Tod stoppt der Austausch, und der ¹⁴C-Anteil halbiert sich alle 5730 Jahre. Anwendung: Datierung organischer Funde bis ca. 50.000 Jahre.
Wahr / Falsch #4 15s ▶ Testen

Schweres Wasser (D₂O, mit dem Wasserstoff-Isotop ²H) siedet bei derselben Temperatur wie normales Wasser (H₂O).

✓ Falsch
Falsch! D₂O siedet bei 101,4 °C, gefriert bei 3,8 °C und ist mit 1,11 g/cm³ dichter als H₂O. Isotope haben dieselbe Elektronenhülle und reagieren chemisch fast gleich, aber ihre verschiedene Masse verändert messbare Eigenschaften. Gleiches Element heißt nicht immer genau derselbe Stoff.