Stabile Isotope in der terrestrischen Ökologie Einführung · PDF fileAtom%...

Folie 1

Stabile Isotope in der

terrestrischen kologie

Einfhrung

Kompetenzzentrum Stabile IsotopeUniversitt Gttingen

J. Dyckmans


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

+

++

-

-

-

2


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)

3


Isotope

Wasserstoff

Kohlenstoff

Stickstoff

Sauerstoff

Schwefel

Atomgewicht

Relative natrliche Hufigkeit

Atomgewicht


Atomgewicht


Atomgewicht


Atomgewicht


4


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


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

6


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

7


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)

8


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)

9



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

10


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



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.

12


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

Stabile Isotope in der terrestrischen Ökologie Einführung · PDF fileAtom%...

Documents

Transcript of Stabile Isotope in der terrestrischen Ökologie Einführung · PDF fileAtom%...