Fracționarea izotopilor

O fracționare izotopică este o diferență de comportament între diferiți izotopi ai aceluiași element chimic în timpul unui anumit proces fizic sau chimic, astfel încât raportul (izotopii) variază în timpul procesului. Acest lucru se întâmplă în special în timpul unei schimbări nereușite de stare , a unei reacții chimice parțiale sau a unui flux printr-un mediu poros : produsul transformării parțiale are o compoziție izotopică ușor diferită de cea a materialului de plecare. Diferența este mai vizibilă pentru elementele ușoare (cu masă atomică redusă ) decât pentru elementele mai grele. Când se iau în considerare mai mult de doi izotopi, variația diferitelor proprietăți cantitative dintre acești izotopi este practic proporțională cu diferența lor de masă.

Fracționarea izotopică care însoțește o schimbare de stare sau o reacție chimică urmează o lege diferită în funcție de apariția acesteia:

aproape de echilibru . Raportul de fracționare (unde r denotă un raport izotopic) urmează apoi o lege cunoscută și depinde în special de temperatură. Se folosește bine în petrologie (pentru a determina temperatura la care s- au echilibrat rocile ); ${\ displaystyle \ alpha = {\ tfrac {r _ {\ mathrm {product}}} {r _ {\ mathrm {d {\ acute {e}} parte}}}}}$
departe de echilibru. Atunci viteza de transformare sau reacție nu este aceeași pentru diferiții izotopi. Această fracționare cinetică este în general mai marcată decât fracționarea la echilibru. Se folosește în paleoclimatologie (pentru determinarea paleotemperaturilor ) și în paleobiologie (pentru demonstrarea acțiunii proceselor biologice în probe foarte vechi).

Există, de asemenea, o diferență de viteză pentru alte procese, cum ar fi fluxul printr-un mediu poros sau difuzia chimică . Acest efect izotopic este utilizat în special pentru îmbogățirea uraniului .

Origine

Însăși existența fracționării izotopice poate părea paradoxală, deoarece izotopii aceluiași element sunt considerați a avea aceleași proprietăți fizice și chimice (deoarece având același număr de protoni au același număr de electroni și, prin urmare, aceeași procesiune electronică și că este cea din urmă care conferă proprietățile chimice și o parte majoră a proprietăților fizice). Dar această identitate este adevărată doar ca o primă aproximare:

unele procese fizice implică în mod direct masa atomilor sau moleculelor . Acesta este în special cazul difuziei , așa cum se arată de exemplu prin legea difuziei într-un mediu gazos . De exemplu, 235 molecule UF 6 difuzează mai repede decât 238 molecule UF 6 , pur și simplu pentru că sunt mai ușoare;
în timpul unei schimbări de fază, moleculele mai ușoare se mișcă puțin mai repede de la o fază la alta decât moleculele mai grele cu aceeași compoziție chimică. În timpul evaporării apei de mare, de exemplu, vaporii de apă produși sunt puțin mai puțin bogați în HDO decât apa de mare inițială. Într-o reacție chimică, de asemenea, moleculele mai ușoare reacționează puțin mai repede decât moleculele mai grele;
este mai dificil de înțeles de ce proprietățile de echilibru diferă, de asemenea, puțin, în funcție de compoziția izotopică. Dar este implicată și masa atomică, așa cum arată analogia de mai jos;

Analogie

Într-un cristal, atomii sau moleculele vibrează, parcă ar fi legate prin arcuri. Perioada de vibrație o greutate atașată la un arc este , unde $m$ reprezintă masa greutății și $k$ rigiditatea arcului. Izvorul joacă rolul interacțiunilor (atracție și respingere) între atomi sau molecule. Chiar dacă rigiditatea nu se schimbă, frecvența vibrațiilor se schimbă odată cu masa: cantitățile energetice ale oricărui material, care implică energiile vibrației, variază puțin în funcție de compoziția izotopică. ${\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {m / k}}}$

în cele din urmă, chiar și proprietățile legate direct de procesiunea electronică unică, cum ar fi energia de ionizare , nu sunt strict identice între doi izotopi ai aceluiași element. Prezența unor neutroni suplimentari în nucleul atomic modifică efectul de screening al nucleului de către electronii de bază , care modifică foarte ușor energia electronilor periferici .

Note și referințe

Note

Această proporționalitate este în eroare în cazul hidrogenului , deoarece diferențele de masă dintre izotopi ( 1 H , 2 H , 3 H ) nu sunt mici în comparație cu masa atomică a uneia sau a celeilalte.
Când un element chimic este prezent în diferite situri cristalografice ale produsului, fracționarea izotopică poate fi diferită pentru diferite situri.
Fracționarea cinetică a izotopilor, ca și cea a elementelor chimice, poate diferi de la față la față a aceluiași cristal. Astfel putem observa o zonare sectorială chimică și izotopică.

Referințe

(în) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard și Stephen Balan, " Fracționare izotopică de echilibru specific sitului oxigenului, carbonului și calciului în apatită " , Geochimica și Cosmochimica Acta , vol. 219,15 decembrie 2017, p. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).

Vezi și tu

Articole similare

linkuri externe

AlphaDelta: Calculator de fracționare a izotopilor stabili - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi