Chemienobelpreis 1943: Georg Karl von Hevesy
Der Ungar erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über die Anwendung der Isotope als Indikatoren bei der Erforschung chemischer Prozesse.
Biografie
Georg Karl von Hevesy, * Budapest (Ungarn) 1. 8. 1885, ✝ Freiburg im Breisgau 5. 7. 1966; 1908 Promotion an der Universität in Freiburg, 1913 erste Experimente über Indikatoren am Wiener Institut für Radiumforschung, 1919-26 Tätigkeit am Institut von Niels Bohr in Kopenhagen, ab 1926 Professor für physikalische Chemie an der Universität in Freiburg, ab 1943 am Institut für organische Chemie in Stockholm.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Ein Atom setzt sich nach einer heutigen, vereinfachten Anschauung aus elektrisch negativ geladenen Elektronen, positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen zusammen.Als von Hevesy 1913 im Labor von Ernest Rutherford (Nobelpreis 1908) arbeitete, war dieses Modell allerdings noch nicht entwickelt. So war das Neutron noch nicht entdeckt (Nobelpreis für Physik 1935 an James Chadwick) und auch der für von Hevesys Arbeit wichtige Begriff des Isotops noch nicht formuliert (Nobelpreis 1921 an Frederick Soddy) und theoretisch durchdacht.
Atome mit der gleichen Anzahl von Elektronen und Protonen, die sich in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, heißen Isotope. Aufgrund der gleichen chemischen Eigenschaften werden Isotope eines Elements als chemisch gleich angesehen und im Periodensystem der Elemente an die gleiche Stelle gesetzt (griechisch: isos topos = gleicher Ort). Der Unterschied liegt im Atomgewicht. Das natürliche Vorkommen der Elemente ist in der Regel ein Gemisch verschiedener Isotope. Die Arbeiten von Frédéric und Irène Joliot-Curie (gemeinsam Nobelpreis 1935) sowie von Enrico Fermi (Nobelpreis für Physik 1938) ermöglichten es, Isotope aller Elemente durch Beschuss mit radioaktiven Teilchen künstlich herzustellen. Georg von Hevesy hatte seine Analysemethode bis zu diesem Zeitpunkt für die natürlich vorkommenden radioaktiven Isotope der Schwermetalle Blei, Thorium, Wismut und Thallium ausgeformt. Auf Grundlage der erwähnten Arbeiten eröffnete sich ein wesentlich größerer Anwendungsbereich, vor allem in der Verwendung von Kohlenstoff-, Phosphor- und Wasserstoffisotopen.
Neue Erkentnisse aus Fehlversuchen
Ausgangspunkt für von Hevesys Überlegungen war sein Scheitern an einer von Ernest Rutherford gestellten Aufgabe, als Gastwissenschaftler in dessen Labor so genanntes Radium D von radioaktivem Blei zu trennen. Beide Substanzen waren Zerfallsprodukte der so genannten Uranzerfallsreihe, die, vom Uranisotop 238U ausgehend, eine der drei natürlichen radioaktiven Zerfallsreihen ist. Der Grund für von Hevesys Scheitern war, dass das fragliche Zerfallsprodukt des Radiums sich als Isotop des Bleis (210Pb) entpuppte. Es war daher von dem als »Uranblei« oder »Radium G« bezeichneten Bleiisotop (206Pb) auf chemischem Weg nicht zu trennen. Eben dieser Sachverhalt brachte von Hevesy zu folgender Annahme: War ein radioaktives von einem nicht radioaktiven Isotop auf chemischem Weg nicht zu trennen, so war es wahrscheinlich, dass es in anderen chemischen Reaktionen ebenfalls das gleiche Verhalten zeigte. Gemäß seinem Anteil als radioaktives Isotop in der Ausgangssubstanz musste es sich dann in gleichem Maße in den Endprodukten der Reaktion wiederfinden. Als Maß dafür konnte die Radioaktivität der erhaltenen Verbindungen oder Lösungen dienen, was zudem den Vorteil hatte, dass ein Nachweis in geringster Konzentration möglich war, und zwar im Verhältnis zur Menge des analysierten Isotops.
Allein die Anwendung dieser Überlegung auf chemische Reaktionen der vier Schwermetalle führte zu wichtigen Ergebnissen. Als die »künstlichen« Isotope in relativ großer Menge (einige hundert Kilogramm) verfügbar wurden, gewannen von Hevesys Arbeiten beispielhaften Charakter für eine Vielzahl neuer Fragestellungen.
Markierter Kohlenstoff kam zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen nur deshalb in Betracht, weil es von Hevesy gelang, das Verhalten der verschiedenen chemischen Verbindungen beim Auflösen zu klären. Anders als bei den anorganischen Salzen, die als Ionen in Lösung gehen, bleibt beim Auflösen von organisch-chemischen Kohlenstoffverbindungen in einem Lösungsmittel die Molekülstruktur weitestgehend erhalten. Damit stand fest, dass ein einmal in das Kohlenstoffgerüst einer organisch-chemischen Verbindung eingebrachtes Markeratom auch fortan dort verblieb und seine Position nicht durch den physikalisch-chemischen Prozess des Auflösens der Verbindung in einem Lösungsmittel, sondern nur durch eine chemische Reaktion veränderte. Ohne diesen Nachweis wären etwa die Ergebnisse der physiologischen Experimente zur Aufklärung von Stoffwechselvorgängen kaum zu deuten.
Die Entwicklung und Verfeinerung weiterer analytischer Methoden — der Massenspektrometrie, der Atomabsorptionsspektrometrie und der Kernresonanzspektroskopie — machte es möglich, von Hevesys Analysekonzept nach und nach auszudehnen und auch auf nicht radioaktive Isotope anzuwenden. So gelang eine erste Erweiterung der als Marker verwendbaren Isotope um solche von Magnesium, Schwefel, Calcium, Chlor, Mangan, Eisen, Kupfer und Zink. Vor allem bei den leichteren Elementen kamen auch nicht radioaktive Isotope zum Einsatz, etwa für Stickstoff (15N), Sauerstoff (18O) oder Deuterium (2D). Ein Proton und ein Neutron sind nahezu gleich schwer, das Elektron als drittes Teilchen im vereinfachten Atommodell ist bedeutend leichter (etwa um den Faktor 2000). Deuterium (2D) als ein Isotop des Wasserstoffs (1H) weist daher aufgrund seines fast doppelten Atomgewichts gegenüber 1H so verschiedene chemische Eigenschaften auf, dass dies den Einsatz weiterer physikalisch-chemischer Analysemethoden zulässt, wie etwa die Dichtebestimmung oder die Massenspektrometrie.
Praktische Anwendung
Von Hevesy wandte seine Methode auf die Untersuchung von chemischen Reaktionen von Blei in verschiedenen Lösungen an. Dadurch gelang es ihm, die so genannten Löslichkeitsprodukte schwer löslicher Verbindungen in verschiedenen Lösungsmitteln zu ermitteln. Das Löslichkeitsprodukt einer Verbindung hilft Aussagen darüber zu treffen, in welchem Maß sich eine chemische Verbindung in einem Lösungsmittel löst. Diese Untersuchungen sind wichtig für toxikologische Einschätzungen. Die Bestimmung des Löslichkeitsprodukts ist Grundlage für die Bestimmung von so genannten Transferfaktoren, mittels derer unter anderem abgeschätzt wird, in welchem Ausmaß chemische Verbindungen oder Elemente aus dem Boden in darauf kultivierte Pflanzen übergehen. Dies erlaubt eine Einschätzung der Bodenbelastung durch chemische Verbindungen ebenso wie eine Prognose über die benötigte Menge chemisch-industriell hergestellter Düngemittel zur Steigerung der Erträge. Zugleich kann auch ermittelt werden, ob die Pflanzen die angebotenen Substanzen tatsächlich aufnehmen oder ob etwa eine Gewässerbelastung verursacht wird.
Über die vergleichende Analyse von Nahrungsmitteln und ausgeschiedenen Exkrementen konnten durch von Hevesys Methode Rückschlüsse hinsichtlich der Menge des ausgenutzten Anteils von Phosphor in der Nahrung gezogen werden. Der Körper scheidet demnach 75-80 Prozent des in der Nahrung enthaltenen Phosphors »unverbraucht« wieder aus.
Die hier erwähnten Beispiele können nur einen kleinen Ausschnitt der Anwendungen der Methode der Isotopenmarkierung aufzeigen. Georg von Hevesy entwickelte ein unschätzbares Hilfsmittel, den Verlauf chemischer und biochemischer Reaktionen theoretisch zu deuten und ungelöste physiologische und medizinische Fragen aufzuklären.
N. Fuchsloch