Isotopfraksjonering

En isotopisk fraksjonering er en forskjell i atferd mellom forskjellige isotoper av det samme kjemiske elementet under en gitt fysisk eller kjemisk prosess, slik at isotopforholdet (ene) varierer under prosessen. Dette er spesielt tilfelle under en uferdig tilstandsendring , en delvis kjemisk reaksjon eller en strømning gjennom et porøst medium  : produktet av den delvise transformasjonen har en isotopisk sammensetning som er litt forskjellig fra materialet for avgangsmaterialet. Forskjellen er mer merkbar for lette elementer (med lav atommasse ) enn for tyngre grunnstoffer. Når mer enn to isotoper vurderes, er variasjonen i de forskjellige kvantitative egenskapene mellom disse isotopene praktisk talt proporsjonal med deres forskjell i masse.

Den isotopiske fraksjoneringen som følger med en endring av tilstanden eller en kjemisk reaksjon, følger en annen lov avhengig av om den oppstår:

• nær likevekt . Fraksjoneringsforholdet (der r betegner et isotopforhold) følger deretter en kjent lov, og avhenger spesielt av temperaturen. Det blir brukt godt i petrologi (for å bestemme temperaturen som bergarter har ekvilibrert ved);α=rsroduJegtrde´spårt{\ displaystyle \ alpha = {\ tfrac {r _ {\ mathrm {product}}} {r _ {\ mathrm {d {\ acute {e}} part}}}}}
• langt fra balanse. Det er da hastigheten på transformasjonen eller reaksjonen som ikke er den samme for de forskjellige isotoper. Denne kinetiske fraksjoneringen er generelt mer markert enn fraksjonen ved likevekt. Den brukes i paleoklimatologi (for bestemmelse av paleotemperaturer ) og i paleobiologi (for å demonstrere virkningen av biologiske prosesser i svært gamle prøver).

Det er også en forskjell i hastighet for andre prosesser som strømning gjennom et porøst medium eller kjemisk diffusjon . Denne isotopiske effekten brukes spesielt til anriking av uran .

Opprinnelse

Selve eksistensen av isotopisk fraksjonering kan virke paradoksalt fordi isotoper av det samme elementet anses å ha de samme fysiske og kjemiske egenskapene (fordi de har samme antall protoner, de har samme antall elektroner og derfor samme prosesjon elektronisk , og at den er sistnevnte som gir de kjemiske egenskapene og en stor del av de fysiske egenskapene). Men denne identiteten er bare sant som en første tilnærming:

• noen fysiske prosesser involverer direkte massen av atomer eller molekyler . Dette er spesielt tilfelle med diffusjon , som for eksempel vist ved loven om diffusjon i et gassformig medium . For eksempel diffunderer 235 UF 6- molekyler raskere enn 238 UF 6- molekyler , rett og slett fordi de er lettere;
• under en faseendring beveger lettere molekyler seg litt raskere fra en fase til en annen enn tyngre molekyler med samme kjemiske sammensetning. Under fordampningen av sjøvann er for eksempel vanndampen som produseres litt mindre rik på HDO enn utgangssjøvannet. I en kjemisk reaksjon reagerer også de lettere molekylene litt raskere enn de tyngre molekylene;
• det er vanskeligere å forstå hvorfor likevektsegenskapene også avviker litt, avhengig av den isotopiske sammensetningen. Men atommasse er også involvert, som analogien nedenfor viser;

I en krystall vibrerer atomer eller molekyler, litt som om de var forbundet med kilder. Perioden for vibrasjon av en vekt som er festet til en fjær er , hvor m betegner massen av vekten og k den stivheten av fjæren. Våren spiller rollen som interaksjoner (tiltrekning og frastøting) mellom atomer eller molekyler. Selv om stivheten ikke endres, endres vibrasjonsfrekvensen med massen: de energiske mengdene av ethvert materiale, som involverer vibrasjonsenergiene, varierer litt i henhold til den isotopiske sammensetningen. T=2πm/k{\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {m / k}}}

• til slutt, selv egenskapene som er direkte knyttet til den eneste elektroniske prosesjonen, som ioniseringsenergi , er ikke strengt identiske mellom to isotoper av samme element. Tilstedeværelsen av ytterligere nøytroner i atomkjernen modifiserer den screening virkningen av kjernen med kjerne elektroner , som modifiserer energien i de perifere elektroner meget svakt .

Merknader og referanser

Merknader

1. Denne proporsjonalitet er på feil i tilfelle av hydrogen , fordi masse forskjellene mellom isotoper ( 1 H , 2 H , 3 H ) ikke er liten i forhold til den atommassen av den ene eller den 'annen.
2. Når et kjemisk element er tilstede på forskjellige krystallografiske steder i produktet, kan isotopfraksjoneringen være forskjellig for de forskjellige stedene.
3. Den kinetiske fraksjoneringen av isotoper, som den for kjemiske elementer, kan variere fra ansikt til ansikt av samme krystall. Vi kan dermed observere en kjemisk og isotop sektorbestemt sonering .

Referanser

1. (i) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard og Stephen Balan, "  Sete-spesifikk likevekt isotopisk fraksjonering av oksygen, karbon og kalsium i apatitt  " , Geochimica og Cosmochimica Acta , vol.  219,15. desember 2017, s.  57-73 ( DOI  10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).

Se også

Relaterte artikler

• Isotopisk homogeniseringslov
• Isotopforhold
• Naturlig overflod

Eksterne linker

• AlphaDelta: Stabil isotopfraksjoneringskalkulator - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi