Frakcionace izotopů
Izotopové frakcionace je rozdíl v chování mezi různými izotopů stejného chemického prvku během určitého fyzikálního nebo chemického procesu, tak, že izotop poměr (S) se mění během procesu. To platí zejména při neúspěšné změně stavu , částečné chemické reakci nebo toku porézním médiem : produkt částečné transformace má izotopové složení mírně odlišné od výchozího materiálu. Rozdíl je patrnější u lehkých prvků (s nízkou atomovou hmotností ) než u těžších prvků. Když vezmeme v úvahu více než dva izotopy, je změna v různých kvantitativních vlastnostech mezi těmito izotopy prakticky úměrná jejich rozdílu v hmotnosti.
Izotopová frakcionace, která doprovází změnu stavu nebo chemickou reakci, se řídí odlišným zákonem podle toho, zda k ní dochází:
- blízko k rovnováze . Frakcionační poměr (kde r znamená izotopový poměr) se poté řídí známým zákonem a závisí zejména na teplotě. Je dobře využíván v petrologii (ke stanovení teploty, při které se kameny vyrovnaly);
- daleko od rovnováhy. Je to pak rychlost transformace nebo reakce, která není u různých izotopů stejná. Tato kinetická frakcionace je obecně výraznější než frakcionace v rovnováze. Používá se v paleoklimatologii (ke stanovení paleoteplot ) a v paleobiologii (k prokázání působení biologických procesů ve velmi starých vzorcích).
Existuje také rozdíl v rychlosti pro jiné procesy, jako je průtok porézním médiem nebo chemická difúze . Tento izotopový účinek se používá zejména pro obohacování uranu .
Původ
Samotná existence izotopové frakcionace se může zdát paradoxní, protože se předpokládá, že izotopy stejného prvku mají stejné fyzikální a chemické vlastnosti (protože mají stejný počet protonů, mají stejný počet elektronů, a tedy stejný elektronický proces , a že je druhá látka, která uděluje chemické vlastnosti a hlavní část fyzikálních vlastností). Ale tato identita je pravdivá pouze jako první aproximace:
- některé fyzikální procesy přímo zahrnují hmotnost atomů nebo molekul . To platí zejména pro difúzi , jak ukazuje například zákon difúze v plynném prostředí . Například 235 UF 6 molekul difunduje rychleji než 238 UF 6 molekul , jednoduše proto, že jsou lehčí;
- během fázové změny se lehčí molekuly pohybují o něco rychleji z jedné fáze do druhé než těžší molekuly stejného chemického složení. Například během odpařování mořské vody je produkovaná vodní pára o něco méně bohatá na HDO než výchozí mořská voda. Při chemické reakci také lehčí molekuly reagují o něco rychleji než těžší molekuly;
- je těžší pochopit, proč se rovnovážné vlastnosti také trochu liší, v závislosti na izotopovém složení. Jde však také o atomovou hmotnost, jak ukazuje analogie níže;
V krystalu vibrují atomy nebo molekuly, trochu jako by byly spojeny pružinami. Doba kmitání hmotnosti připojen k pružiny , kde m znamená hmotnost závaží a K je tuhost pružiny. Pružina hraje roli interakcí (přitahování a odpuzování) mezi atomy nebo molekulami. I když se tuhost nezmění, frekvence vibrací se mění s hmotou: energetická množství jakéhokoli materiálu, která zahrnují energie vibrací, se trochu liší podle izotopového složení.
- konečně, ani vlastnosti přímo spojené s jediným elektronickým procesem, jako je ionizační energie , nejsou striktně identické mezi dvěma izotopy stejného prvku. Přítomnost dalších neutronů v atomovém jádře modifikuje screeningový účinek jádra elektrony jádra , což velmi mírně upravuje energii periferních elektronů .
Poznámky a odkazy
Poznámky
- Tato proporcionalita je na vině v případě vodíku , protože hmotnostní rozdíly mezi izotopy ( 1 H , 2 H , 3 H ) nejsou malé ve srovnání s atomovou hmotností jednoho nebo druhého.
- Pokud je chemický prvek přítomen na různých krystalografických místech produktu, může se izotopová frakcionace u různých míst lišit.
- Kinetická frakcionace izotopů, podobně jako u chemických prvků, se může lišit tváří v tvář stejnému krystalu. Můžeme tak pozorovat chemické a izotopové sektorové zónování .
Reference
- (in) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard a Stephen Balan, „ Site-specific rovnovážná izotopová frakcionace kyslíku, uhlíku a vápníku v apatitu “ , Geochimica a Cosmochimica Acta , sv. 219,15. prosince 2017, str. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).
Podívejte se také
Související články
externí odkazy
- AlphaDelta: Stabilní kalkulačka frakcionace izotopů - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi