Post on 07-Feb-2018
Folie 1
Stabile Isotope in der
terrestrischen kologie
Einfhrung
Kompetenzzentrum Stabile IsotopeUniversitt Gttingen
J. Dyckmans
Kompetenzzentrum Stabile IsotopeUniversitt Gttingen
Isotope
Aufbau der Atome
Jedes Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen
Die Anzahl an Protonen bzw. Elektronen legen die Atomart (Element) fest
(Im ungeladenen Atom ist die Anzahl Protonen = Elektronen)
Atome einer Art mit unterschiedlicher Anzahl Neutronen bezeichnet
man als Isotope Beispiel zur Nomenklatur
Z: Anzahl der Protonen
N: Anzahl der Neutronen
A: Massezahl (= Z + N)
Die Protonenanzahl ist fr jedes Element festgelegt,
A ergibt sich aus Z und N, daher gengt die Angabe13C fr eine eindeutige Bezeichnung eines Atoms
MZ = 1,6726231 10-27 kg
MN = 1,6749543 10-27 kg
Me = 9,100939 10-31 kg
CC,Atom 13612
6
A
Z oder
+
++
-
-
-
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Isotope
Isotope sind Atome eines Elements, die sich in der Anzahl der Neutronen
unterscheiden
Isotope unterscheiden sich (fast) nicht in ihren chemischen Eigenschaften,
da diese vor allem durch die Elektronenhlle bestimmt werden,
aber in einigen physikalischen Eigenschaften (Masse!)
l
s
s
l
ssll
kin
m
m
v
v
vmvm
vmE
22
2
leichte Molekle haben eine hhere Geschwindigkeit
(daraus resultiert z. B. der Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit)
leichte Molekle haben die gleiche
Energie wie schwere Molekle
z.B.: Im geschlossenen Gasvolumen ist die kinetische Energie
Die Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften wirken sich aber auch bei chemischen oder biologischen Prozessen aus ( Isotopeneffekte)
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Isotope
Wasserstoff
Kohlenstoff
Stickstoff
Sauerstoff
Schwefel
Atomgewicht
Relative natrliche Hufigkeit
Atomgewicht
Relative natrliche Hufigkeit
Atomgewicht
Relative natrliche Hufigkeit
Atomgewicht
Relative natrliche Hufigkeit
Atomgewicht
Relative natrliche Hufigkeit
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Einheiten der Isotopenhufigkeit atom%
Abundanz (atom%)
Hufigkeit eines Isotops in 100 Isotopen eines Elements
Anwendung insbesondere bei hoher knstlicher Markierung
100F100OOO
OOatom%
161718
1818
5
100F100CC
CCatom%
1213
1313
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Einheiten der Isotopenhufigkeit - APE
Atom%excess (APE)
Hufigkeit (atom%) ber einem Basisniveau
Basisniveau kann fr verschiedene Kompartimente in einem Experiment
unterschiedlich sein (z.B. durch Unterschiede in den natrlichen Hufigkeiten
durch Fraktionierung)
APE-Werte knnen einfach verrechnet werden, ohne dass der Hintergrund
(das Basisniveau) herausgerechnet werden muss
Anwendung bei Tracer-Experimenten
APE ist eine relative Angabe
BasisMarkiert
Basis
1213
13
Markiert
1213
13
atom%atom%
100C C
C
C C
Csatom%exces
Atom% Atom%excess0 0
1,6 1,6
1,01,1
0,5 0,6
00
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Einheiten der Isotopenhufigkeit Delta
Delta-Wert ( )
Relativer Wert gegenber einem einheitlich festgelegten Referenzwert
R: Angabe eines Verhltnisses F: Angabe einer Konzentration
C
C
IsotopeleichteAnzahl
IsotopeschwereAnzahlR
mit
10001R
R1000
R
R-R ()
12
13
Standard
Probe
Standard
StandardProbe
1R
R
CC
CFvgl.
1213
13
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Einheiten der Isotopenhufigkeit Delta
Delta-Wert ( )
Wird genutzt, um minimale nderungen in der Isotopenzusammensetzung
darzustellen (insbesondere nderungen in den natrlichen Hufigkeiten)
z.B. fr C: 0 = 1,1057 atom% 13C
5 = 1,1111 atom% 13C
Die Angabe relativer Unterschiede wird genutzt, weil die Messung von
Differenzen von Isotopenhufigkeiten wesentlich einfacher ist als absolute
Isotopenhufigkeiten zu bestimmen (vgl. Messtechnik)
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Einheiten: Delta-Wert
Klassifikation der Referenzsubstanzen fr Deltawerte
Primrstandards
hufig nur virtuell existierende oder nicht mehr vorhandene Substanzen, die
als Bezugspunkt fr die Angabe der Deltawerte dienen
Sekundrstandards
reale Substanzen, die gegen Primrstandards geeicht wurden und zur
Kalibrierung der Gerte genutzt werden (verwaltet von IAEA, NIST)
Arbeitsstandards
reale Substanzen, die gegen die Sekundrstandards geeicht wurden und bei
Messungen in regelmigen Abstnden mitbestimmt werden
z. B. Acetanilid, Koffein (fr C und N)
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Einheiten: Delta-Wert
Referenzsubstanzen fr Deltawerte (Primrstandards):
Kohlenstoff: Carbonat (Belemnite) aus der PeeDee-Formation (V-PDB)13C/12C = 0,0111802 1,10566 atom%13C
die Kalibrierung erfolgt ber die Festlegung der Referenz-Substanz NBS19 +1,95 vs. V-PDB
Stickstoff: Luftstickstoff (N2 Air)15N/14N = 0,0036765 0,366303 atom%15N
Sauerstoff/Wasserstoff: Vienna Standard Mean Ocean Water (V-SMOW)18O/16O = 0,00200520 0,20011872 atom%18O
(in Karbonaten wird Sauerstoff auch vs. V-PDB angegeben)
2H/1H = 0,00015576 0,01557357 atom%2H
Schwefel: Caon Diablo Troilit (meteoritisches FeS) (CDT)34S/32S = 0,0450045 4,306632 atom%34S
die Kalibrierung erfolgt ber die Festlegung der Referenz-Substanz IAEA-S-1 -0,30 vs. CDT
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Delta-Wert Bereiche natrlicher Abundanz
Vergleich des Unterschieds von 0,01 atom%bei verschiedenen Isotopen
13C 0,01 atom% 9,15
15N 0,01 atom% 27,4
34S 0,01 atom% 2,43
18O 0,01 atom% 50,03
2H 0,01 atom% 642,3
11
15N ()
atom% 15NN
Luft N2
Terrestrische Organismen
-20 0 20 40
0,360 0,365 0,370 0,375 0,380
Tiere
Tiere
Pflanzen
Pflanzen
Magmatisches Gestein
Marine Organismen
Boden-NO3-
S atom% 34S
34S ()
organische Substanz
Niederschlge
Ozeanwasser
Sedimentres Gestein
-60 -40 -20 0 20 40 60
4,1 4,2 4,3 4,4 4,5
C atom% 13C
13C ()
1,04
-80
-60
C3 C4
-60 -40 -20 0 20
Luft CO2
organische Substanz
Fossiles C
biogenes CH4
atmosphr. CH4
Carbonate
1,121,101,081,061,02
atom% 2H
2H ()
H
Niederschlge
Ozeanwasser
Sedimentres Gestein
-160 -120 -80 -40 0 40 80
0,013 0,014 0,015 0,016
kalte Klimatewarme Klimate
atom% 18O
18O ()
O
Niederschlge
Ozeanwasser
Sedimentres Gestein
0.195 0.200 0.205 0.210
warme Klimate
Luft O2kalteKlimate
organische Substanz
-40 -20 0 20 40 60
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Einheiten: Delta-Wert
Umrechnung von Deltawerten auf andere Standardsubstanzen
00
0/ 1000*1
wstd
sa
wstdsaR
R
00
0
.Std.pr
wstd.Std.pr/wstd 1000*1
R
R
00
0
.Std.pr
sa.Std.pr/sa 1000*1
R
R
wstdwstdsa
sa RR *11000
/
wstd
Stdprwstd
Stdpr RR *
11000
1
../
..
00
0.Std.pr/wstdwstd/sa.Std.pr/sa 1000*11
1000*1
1000
00
0.Std.pr/wstd
wstd/sa.Std.pr/sa 100011000
*1000
00
0.Std.pr/wstdwstd/sa
.Std.pr/wstdwstd/sa.Std.pr/sa1000
*
Im Normalfall wird eine Messprobe (sa = sample)
gegen einen Labor- oder Arbeitsstandard
(wstd = working standard) gemessen. Dieser
Arbeitsstandard ist in der Regel gegen einen
primren Standard (pr. Std. = primrer Standard)
eingeeicht. Damit die sa/wstd Werte von
Messproben aus unterschiedlichen Messlaboren
verglichen werden knnen, ist es eine Umrech-
nung auf sa/pr.Std. erforderlich.
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Fraktionierung
Verschiedene Isotope eines Element unterscheiden sich in physikalischen
Eigenschaften, z.B.
Atommasse
Nullpunktsenergie (wird durch die
Vibrationsbewegung der Atome bestimmt) chemische Bindungen mit schweren Isotopen
sind fester (Dissoziationsenergie ES ist grer als EL)
Leichte Isotope sind beweglicher
(wegen der hheren Vibrationsfrequenz