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Isotopentrennung ist die allgemeine Bezeichnung für Verfahren mit denen die in einem chemischen Element enthaltenen Isot

Isotopentrennung

Isotopentrennung ist die allgemeine Bezeichnung für Verfahren, mit denen die in einem chemischen Element enthaltenen Isotope voneinander getrennt werden können. Es muss sich dabei nicht um Radioisotope handeln.

Durch die Trennverfahren erhält man praktisch nie ein reines Isotop, sondern das Verfahren teilt die ursprüngliche Stoffmenge in zwei Teilmengen (Fraktionen), von denen die eine an dem interessierenden Isotop angereichert und die andere entsprechend abgereichert ist. Durch mehrfache Wiederholung des jeweiligen Verfahrens mit der angereicherten Teilmenge lassen sich höhere Anreicherungsgrade erreichen.

Die Isotope eines und desselben Elementes unterscheiden sich in chemischer Hinsicht fast nicht voneinander. Die Isotopentrennverfahren beruhen daher fast immer auf physikalischen Prozessen. Ausnahmen hiervon gibt es nur bei sehr leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium, wo der relative Massenunterschied der Atome so groß ist, dass er sich im chemischen Verhalten bemerkbar macht.

Verfahren Bearbeiten

Zur Isotopentrennung lassen sich folgende Verfahren anwenden:

Anwendungen Bearbeiten

Kerntechnik Bearbeiten

Die mengenmäßig bei weitem wichtigste Isotopentrennung ist die Uran-Anreicherung, die Erhöhung des Gehalts an Uran-235, zur Herstellung des Kernbrennstoffs für Kernkraftwerke. Für Kernwaffenzwecke wird auch Lithium an Lithium-6 angereichert. Für Kernfusionsreaktoren wird auf die Dauer ebenfalls angereichertes Lithium benötigt werden, um in deren Blanket den Fusionsbrennstoff Tritium zu erbrüten. Hier wird auch die Trennung der Wasserstoffisotope Protium, Deuterium und Tritium voneinander notwendig. Natururanreaktoren kommen ohne Uranreicherung aus, jedoch ist bei den meisten davon eine Isotopentrennung des Protium von Deuterium nötig, da diese mit schwerem Wasser moderiert werden. graphitmoderierte Reaktoren benötigen kein schweres Wasser (lediglich besonders reinen Kohlenstoff normaler isotopischer Zusammensetzung), jedoch haben sich graphitmoderierte Natururanreaktoren (realisiert: Magnox und UNGG; geplant aber im Designstadium geändert: RBMK) letztlich nicht als Leistungsreaktoren durchgesetzt. Forschungsreaktoren und solche, die vornehmlich der Produktion von Plutonium dienen, sind aber seit Chicago Pile 1 und teilweise noch bis heute oft graphitmoderierte Natururanreaktoren.

Forschung Bearbeiten

Weitere Anwendungen von (fast) reinen Isotopen oder isotopisch angereicherten Stoffen gibt es für Forschungszwecke. Im Rahmen des Avogadroprojektes werden Massennormale aus Silicium hergestellt, das an Silicium-28 hoch angereichert ist. Auch das so genannte „Isotop Labeling“ (teilweise auch vollständig Englisch „isotope labeling“ geschrieben) benötigt angereicherte oder hochreine Isotopenzusammensetzungen. Man betreibt dies vor allem als Grundlagenforschung.

Medizin Bearbeiten

Bei so genannten „deuterated drugs“ („deuterierte Wirkstoffe“) macht man sich die Unterschiede der Pharmakokinetik zunutze, die entstehen, wenn Kohlenwasserstoffe (Teil oder Grundlage eines großen Teils der medizinisch eingesetzten Stoffe) anstelle von „normalem“ Protium Deuterium enthalten. Die Vorzüge derartiger Stoffe waren lange nur Gegenstand theoretischer Diskussionen, doch mit der Zulassung von deutetrabenazine durch die FDA im Jahre 2017 ist diese Technologie inzwischen in der pharmazeutischen Praxis angekommen und erzeugt einen weiteren Bedarf für die Trennung von Deuterium und Protium.

Natürliches Auftreten Bearbeiten

Kein bisher beobachteter natürlicher Prozess vermag es, Isotope desselben Elements vollständig voneinander zu trennen. Natürliche Prozesse können jedoch Isotope schwach aber messbar an- bzw. abreichern, was man sich bei entsprechenden Analysetechniken zunutze macht.

Wasserstoff Bearbeiten

Schweres Wasser hat sowohl einen höheren Gefrier- als auch Siedepunkt als „normales“ Wasser. Da in der Natur jedoch zumeist „halbschweres“ (also nur ein H durch D ersetzt) Wasser auftritt, ist der Effekt demgegenüber verringert, was eine reine Betrachtung der Siede- bzw. Gefrierpunkte ergäbe.

Kohlenstoff Bearbeiten

Zum Beispiel ist die Reaktionskinetik von 12C und 13C in organischen Systemen leicht aber messbar unterschiedlich, sodass bei Biomasse bzw. Gewebeproben aufgrund dieses „δ13C“ genannten Wertes Rückschlüsse auf Herkunft bzw. Ernährung gemacht werden können. Dieser Effekt tritt vor allem beim Unterschied zwischen C3-Pflanzen und C4-Pflanzen und folglich allen Gliedern der Nahrungskette, welche sich von diesen Pflanzen (mittelbar) ernähren, auf.

Sauerstoff Bearbeiten

Auch in der Paläoklimatologie bedient man sich natürlicher Isotopenan- bzw. -abreicherung. H216O verdunstet geringfügig schneller als H218O, weswegen der Unterschied in Verhältnis von 18O zu 16O in – zum Beispiel – Eisbohrkernen (welche Luft aus der Atmosphäre zur Zeit ihrer Entstehung eingelagert haben) einen Hinweis auf die Verdunstung und damit die durchschnittliche Temperatur zum Zeitpunkt der Bildung es Eises geben kann. Dieser Unterschied wird in Fachpublikationen üblicherweise mit δ18O abgekürzt.

Stickstoff Bearbeiten

Auch der Stickstoffkreislauf reichert an verschiedenen Stellen das schwerere 15N gegenüber dem leichteren 14N an. So sind insbesondere Tiere höherer Trophiestufe (wie auch der Mensch) verhältnismäßig reicher an 15N. So konnte zum Beispiel mittels der Analyse der Isotopenhäufigkeit bewiesen werden, dass Homo neanderthalensis ein Apex-Predator war, wie es auch der moderne Mensch (Homo sapiens) ist. Auch die Erzeugung von Stickstoffdünger durch das Haber-Bosch-Verfahren verändert δ15N teilweise messbar.

Siehe auch Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Römpp: Basislexikon Chemie, Georg Thieme Verlag 1998, ISBN 3-13-115711-9.
  2. Hans Güsten: Isotopentrennung durch Laser-Photochemie. In: Chemie in unserer Zeit. Band 11, Nr. 2, April 1977, S. 33–44, doi:10.1002/ciuz.19770110202.
  3. Klaus Clusius, Gerhard Dickel: Neues Verfahren zur Gasentmischung und Isotopentrennung. In: Naturwissenschaften. Band 26, Nr. 33, August 1938, S. 546, doi:10.1007/BF01675498.
  4. https://proteomicsresource.washington.edu/protocols03/isotopic_labeling.php
  5. Nutan Rao, Riddhi Kini, Priyanka Kad: Deuterated Drugs. In: Pharmaceutical Chemistry Journal. Band 55, Nr. 12, 2022, S. 1372–1377, doi:10.1007/s11094-022-02584-4.
  6. https://www.accessdata.fda.gov/drugsatfda_docs/label/2017/209885lbl.pdf
  7. Sheila H. DeWitt, Bruce E. Maryanoff: Deuterated Drug Molecules: Focus on FDA-Approved Deutetrabenazine: Published as part of the Biochemistry series “Biochemistry to Bedside”. In: Biochemistry. Band 57, Nr. 5, 2018, S. 472–473, doi:10.1021/acs.biochem.7b00765.
  8. Ulli Seibt, Abazar Rajabi, Howard Griffiths, Joseph A. Berry: Carbon isotopes and water use efficiency: sense and sensitivity. In: Oecologia. Band 155, Nr. 3, 2008, S. 441–454, doi:10.1007/s00442-007-0932-7, PMID 18224341.
  9. Nicole S. Khan, Christopher H. Vane, Simon E. Engelhart, Chris Kendrick, Benjamin P. Horton: The application of δ13C, TOC and C/N geochemistry of mangrove sediments to reconstruct Holocene paleoenvironments and relative sea levels, Puerto Rico. In: Marine Geology. Band 415, 2019, S. 105963, doi:10.1016/j.margeo.2019.105963.
  10. Isotope Tracers -- Resources. USGS, abgerufen am 16. November 2023.
  11. Isotope Analysis. Abgerufen am 16. November 2023.
  12. Paleoclimatology: The Oxygen Balance. 6. Mai 2005, abgerufen am 16. November 2023 (englisch).
  13. David Robinson: δ15N as an integrator of the nitrogen cycle. In: Trends in Ecology & Evolution. Band 16, Nr. 3, 2001, S. 153–162, doi:10.1016/S0169-5347(00)02098-X.
  14. Klervia Jaouen, Michael P. Richards, Adeline Le Cabec, Frido Welker, William Rendu, Jean-Jacques Hublin, Marie Soressi, Sahra Talamo: Exceptionally high δ 15 N values in collagen single amino acids confirm Neandertals as high-trophic level carnivores. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 116, Nr. 11, 2019, S. 4928–4933, doi:10.1073/pnas.1814087116, PMID 30782806, PMC 6421459 (freier Volltext).

Weblink Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Isotopentrennung ist die allgemeine Bezeichnung fur Verfahren mit denen die in einem chemischen Element enthaltenen Isotope voneinander getrennt werden konnen Es muss sich dabei nicht um Radioisotope handeln Durch die Trennverfahren erhalt man praktisch nie ein reines Isotop sondern das Verfahren teilt die ursprungliche Stoffmenge in zwei Teilmengen Fraktionen von denen die eine an dem interessierenden Isotop angereichert und die andere entsprechend abgereichert ist Durch mehrfache Wiederholung des jeweiligen Verfahrens mit der angereicherten Teilmenge lassen sich hohere Anreicherungsgrade erreichen Die Isotope eines und desselben Elementes unterscheiden sich in chemischer Hinsicht fast nicht voneinander Die Isotopentrennverfahren beruhen daher fast immer auf physikalischen Prozessen Ausnahmen hiervon gibt es nur bei sehr leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium wo der relative Massenunterschied der Atome so gross ist dass er sich im chemischen Verhalten bemerkbar macht Inhaltsverzeichnis 1 Verfahren 2 Anwendungen 2 1 Kerntechnik 2 2 Forschung 2 3 Medizin 3 Naturliches Auftreten 3 1 Wasserstoff 3 2 Kohlenstoff 3 3 Sauerstoff 3 4 Stickstoff 4 Siehe auch 5 Einzelnachweise 6 WeblinkVerfahren BearbeitenZur Isotopentrennung lassen sich folgende Verfahren anwenden 1 Massenspektrometrie fur analytische Zwecke Zentrifugieren mit Gaszentrifugen Gasdiffusionsverfahren nach dem Membranverfahren Trenndusenverfahren fraktionierte Destillation z B Quecksilberisotope schweres Wasser Elektrolyse z B Anreicherung von Deuterium Photochemisch uber selektive Anregung von Isotopen in einem Gemisch mit Laserlicht wobei die angeregten Isotope reaktiver sind und uber Folgereaktionen entfernt werden konnen 2 Thermophorese Thermodiffusion Trennrohr nach Clusius und Dickel bereits 1938 erfolgreich demonstriert 3 Anwendungen BearbeitenKerntechnik Bearbeiten Die mengenmassig bei weitem wichtigste Isotopentrennung ist die Uran Anreicherung die Erhohung des Gehalts an Uran 235 zur Herstellung des Kernbrennstoffs fur Kernkraftwerke Fur Kernwaffenzwecke wird auch Lithium an Lithium 6 angereichert Fur Kernfusionsreaktoren wird auf die Dauer ebenfalls angereichertes Lithium benotigt werden um in deren Blanket den Fusionsbrennstoff Tritium zu erbruten Hier wird auch die Trennung der Wasserstoffisotope Protium Deuterium und Tritium voneinander notwendig Natururanreaktoren kommen ohne Uranreicherung aus jedoch ist bei den meisten davon eine Isotopentrennung des Protium von Deuterium notig da diese mit schwerem Wasser moderiert werden graphitmoderierte Reaktoren benotigen kein schweres Wasser lediglich besonders reinen Kohlenstoff normaler isotopischer Zusammensetzung jedoch haben sich graphitmoderierte Natururanreaktoren realisiert Magnox und UNGG geplant aber im Designstadium geandert RBMK letztlich nicht als Leistungsreaktoren durchgesetzt Forschungsreaktoren und solche die vornehmlich der Produktion von Plutonium dienen sind aber seit Chicago Pile 1 und teilweise noch bis heute oft graphitmoderierte Natururanreaktoren Forschung Bearbeiten Weitere Anwendungen von fast reinen Isotopen oder isotopisch angereicherten Stoffen gibt es fur Forschungszwecke Im Rahmen des Avogadroprojektes werden Massennormale aus Silicium hergestellt das an Silicium 28 hoch angereichert ist Auch das so genannte Isotop Labeling teilweise auch vollstandig Englisch isotope labeling geschrieben benotigt angereicherte oder hochreine Isotopenzusammensetzungen 4 Man betreibt dies vor allem als Grundlagenforschung Medizin Bearbeiten Bei so genannten deuterated drugs deuterierte Wirkstoffe macht man sich die Unterschiede der Pharmakokinetik zunutze die entstehen wenn Kohlenwasserstoffe Teil oder Grundlage eines grossen Teils der medizinisch eingesetzten Stoffe anstelle von normalem Protium Deuterium enthalten 5 Die Vorzuge derartiger Stoffe waren lange nur Gegenstand theoretischer Diskussionen doch mit der Zulassung von deutetrabenazine durch die FDA im Jahre 2017 6 ist diese Technologie inzwischen in der pharmazeutischen Praxis angekommen und erzeugt einen weiteren Bedarf fur die Trennung von Deuterium und Protium 7 Naturliches Auftreten BearbeitenSiehe auch Isotopenfraktionierung Kein bisher beobachteter naturlicher Prozess vermag es Isotope desselben Elements vollstandig voneinander zu trennen Naturliche Prozesse konnen jedoch Isotope schwach aber messbar an bzw abreichern was man sich bei entsprechenden Analysetechniken zunutze macht Wasserstoff Bearbeiten Schweres Wasser hat sowohl einen hoheren Gefrier als auch Siedepunkt als normales Wasser Da in der Natur jedoch zumeist halbschweres also nur ein H durch D ersetzt Wasser auftritt ist der Effekt demgegenuber verringert was eine reine Betrachtung der Siede bzw Gefrierpunkte ergabe Kohlenstoff Bearbeiten Zum Beispiel ist die Reaktionskinetik von 12C und 13C in organischen Systemen leicht aber messbar unterschiedlich sodass bei Biomasse bzw Gewebeproben aufgrund dieses d13C genannten Wertes Ruckschlusse auf Herkunft bzw Ernahrung gemacht werden konnen 8 9 Dieser Effekt tritt vor allem beim Unterschied zwischen C3 Pflanzen und C4 Pflanzen und folglich allen Gliedern der Nahrungskette welche sich von diesen Pflanzen mittelbar ernahren auf 10 Sauerstoff Bearbeiten Auch in der Palaoklimatologie bedient man sich naturlicher Isotopenan bzw abreicherung H216O verdunstet geringfugig schneller als H218O 11 weswegen der Unterschied in Verhaltnis von 18O zu 16O in zum Beispiel Eisbohrkernen welche Luft aus der Atmosphare zur Zeit ihrer Entstehung eingelagert haben einen Hinweis auf die Verdunstung und damit die durchschnittliche Temperatur zum Zeitpunkt der Bildung es Eises geben kann 12 Dieser Unterschied wird in Fachpublikationen ublicherweise mit d18O abgekurzt Stickstoff Bearbeiten Auch der Stickstoffkreislauf reichert an verschiedenen Stellen das schwerere 15N gegenuber dem leichteren 14N an So sind insbesondere Tiere hoherer Trophiestufe wie auch der Mensch verhaltnismassig reicher an 15N 13 So konnte zum Beispiel mittels der Analyse der Isotopenhaufigkeit bewiesen werden dass Homo neanderthalensis ein Apex Predator war wie es auch der moderne Mensch Homo sapiens ist 14 Auch die Erzeugung von Stickstoffdunger durch das Haber Bosch Verfahren verandert d15N teilweise messbar Siehe auch BearbeitenAbgereichertes Zinkoxid Deuterium Lithium Schweres Wasser IsotopenuntersuchungEinzelnachweise Bearbeiten Rompp Basislexikon Chemie Georg Thieme Verlag 1998 ISBN 3 13 115711 9 Hans Gusten Isotopentrennung durch Laser Photochemie In Chemie in unserer Zeit Band 11 Nr 2 April 1977 S 33 44 doi 10 1002 ciuz 19770110202 Klaus Clusius Gerhard Dickel Neues Verfahren zur Gasentmischung und Isotopentrennung In Naturwissenschaften Band 26 Nr 33 August 1938 S 546 doi 10 1007 BF01675498 https proteomicsresource washington edu protocols03 isotopic labeling php Nutan Rao Riddhi Kini Priyanka Kad Deuterated Drugs In Pharmaceutical Chemistry Journal Band 55 Nr 12 2022 S 1372 1377 doi 10 1007 s11094 022 02584 4 https www accessdata fda gov drugsatfda docs label 2017 209885lbl pdf Sheila H DeWitt Bruce E Maryanoff Deuterated Drug Molecules Focus on FDA Approved Deutetrabenazine Published as part of the Biochemistry series Biochemistry to Bedside In Biochemistry Band 57 Nr 5 2018 S 472 473 doi 10 1021 acs biochem 7b00765 Ulli Seibt Abazar Rajabi Howard Griffiths Joseph A Berry Carbon isotopes and water use efficiency sense and sensitivity In Oecologia Band 155 Nr 3 2008 S 441 454 doi 10 1007 s00442 007 0932 7 PMID 18224341 Nicole S Khan Christopher H Vane Simon E Engelhart Chris Kendrick Benjamin P Horton The application of d13C TOC and C N geochemistry of mangrove sediments to reconstruct Holocene paleoenvironments and relative sea levels Puerto Rico In Marine Geology Band 415 2019 S 105963 doi 10 1016 j margeo 2019 105963 Isotope Tracers Resources USGS abgerufen am 16 November 2023 Isotope Analysis Abgerufen am 16 November 2023 Paleoclimatology The Oxygen Balance 6 Mai 2005 abgerufen am 16 November 2023 englisch David Robinson d15N as an integrator of the nitrogen cycle In Trends in Ecology amp Evolution Band 16 Nr 3 2001 S 153 162 doi 10 1016 S0169 5347 00 02098 X Klervia Jaouen Michael P Richards Adeline Le Cabec Frido Welker William Rendu Jean Jacques Hublin Marie Soressi Sahra Talamo Exceptionally high d 15 N values in collagen single amino acids confirm Neandertals as high trophic level carnivores In Proceedings of the National Academy of Sciences Band 116 Nr 11 2019 S 4928 4933 doi 10 1073 pnas 1814087116 PMID 30782806 PMC 6421459 freier Volltext Weblink BearbeitenTrennrohr nach Clusius und Dickel Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Isotopentrennung amp oldid 239182781