Isotopfraktionering
En isotopfraktionering er en forskel i adfærd mellem forskellige isotoper af det samme kemiske element under en given fysisk eller kemisk proces, således at isotopforholdet (-erne) varierer under processen. Dette er især tilfældet under en mislykket tilstandsændring , en delvis kemisk reaktion eller en strøm gennem et porøst medium : produktet af den delvise transformation har en isotopisk sammensætning, der er lidt forskellig fra afgangsmaterialet. Forskellen er mere synlig for lette elementer (med lav atommasse ) end for tungere grundstoffer. Når mere end to isotoper overvejes, er variationen i de forskellige kvantitative egenskaber mellem disse isotoper praktisk taget proportional med deres forskel i masse.
Den isotopiske fraktionering, der ledsager en ændring af tilstanden eller en kemisk reaktion, følger en anden lov afhængigt af om den forekommer:
- tæt på ligevægt . Fraktioneringsforholdet (hvor r betegner et isotopisk forhold) følger derefter en kendt lov og afhænger især af temperaturen. Det udnyttes godt i petrologi (for at bestemme temperaturen, ved hvilken sten er ækvilibreret);
- langt fra balance. Det er derefter omdannelseshastigheden eller reaktionen, som ikke er den samme for de forskellige isotoper. Denne kinetiske fraktionering er generelt mere markant end fraktioneringen ved ligevægt. Det bruges i paleoklimatologi (til bestemmelse af paleotemperaturer ) og i paleobiologi (til demonstration af virkningen af biologiske processer i meget gamle prøver).
Der er også en forskel i hastighed for andre processer såsom strømning gennem et porøst medium eller kemisk diffusion . Denne isotopiske virkning anvendes især til berigelse af uran .
Oprindelse
Selve eksistensen af isotopisk fraktionering kan synes paradoksalt, fordi isotoper af det samme element anses for at have de samme fysiske og kemiske egenskaber (fordi de har det samme antal protoner, at de har det samme antal elektroner og derfor den samme procession elektronisk , og at den er sidstnævnte, som giver de kemiske egenskaber og en stor del af de fysiske egenskaber). Men denne identitet er kun sand som en første tilnærmelse:
- nogle fysiske processer involverer direkte massen af atomer eller molekyler . Dette er især tilfældet med diffusion , som f.eks. Vist ved loven om diffusion i et gasformigt medium . For eksempel diffunderer 235 UF 6- molekyler hurtigere end 238 UF 6- molekyler , simpelthen fordi de er lettere;
- under en faseændring bevæger sig lettere molekyler lidt hurtigere fra en fase til en anden end tungere molekyler med samme kemiske sammensætning. Under fordampningen af havvand er den producerede vanddamp for eksempel lidt mindre rig på HDO end det startende havvand. I en kemisk reaktion reagerer også de lettere molekyler lidt hurtigere end de tungere molekyler;
- det er sværere at forstå, hvorfor ligevægtsegenskaberne også adskiller sig lidt afhængigt af den isotopiske sammensætning. Men atommasse er også involveret, som analogien nedenfor viser;
I en krystal vibrerer atomer eller molekyler, lidt som om de var forbundet med fjedre. Vibrationsperioden af en vægt fastgjort til en fjeder er , hvor m betegner massen af vægten og k den stivhed af fjederen. Foråret spiller rollen som interaktioner (tiltrækning og frastødning) mellem atomer eller molekyler. Selvom stivheden ikke ændres, ændres vibrationsfrekvensen med massen: de energiske mængder af ethvert materiale, der involverer vibrationsenergier, varierer lidt afhængigt af den isotopiske sammensætning.
- endelig er selv de egenskaber, der er direkte knyttet til den enkelte elektroniske procession, såsom ioniseringsenergi , ikke strengt identiske mellem to isotoper af det samme element. Tilstedeværelsen af yderligere neutroner i atomkernen ændrer kernens elektroners screeningseffekt af kernen , hvilket modificerer energien fra de perifere elektroner meget let .
Noter og referencer
Bemærkninger
- Denne proportionalitet er skyld i brint , da masseforskellene mellem isotoper ( 1 H , 2 H , 3 H ) ikke er små sammenlignet med den ene eller den anden atommasse .
- Når et kemisk element er til stede på forskellige krystallografiske steder i produktet, kan den isotopiske fraktionering være forskellig for de forskellige steder.
- Den kinetiske fraktionering af isotoper, som for kemiske grundstoffer, kan variere fra ansigt til ansigt af samme krystal. Vi kan således observere en kemisk og isotop sektorbestemt zoneinddeling .
Referencer
- (i) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard og Stephen Balan, " Stedspecifik ligevægt isotopfraktionering af oxygen, carbon og calcium i apatit " , Geochimica og Cosmochimica Acta , vol. 219,15. december 2017, s. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).
Se også
Relaterede artikler
eksterne links
- AlphaDelta: Stabil isotopfraktioneringsberegner - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi