Fracionamento de isótopos

Um fracionamento isotópico é uma diferença de comportamento entre diferentes isótopos do mesmo elemento químico durante um determinado processo físico ou químico, de modo que a (s) razão (ões) isotópica (s) variam durante o processo. Este é particularmente o caso durante uma mudança de estado inacabada, uma reação química parcial ou um fluxo através de um meio poroso : o produto da transformação parcial tem uma composição isotópica ligeiramente diferente da do material de partida. A diferença é mais perceptível para elementos leves (de baixa massa atômica ) do que para elementos mais pesados. Quando mais de dois isótopos são considerados, a variação nas diferentes propriedades quantitativas entre esses isótopos é praticamente proporcional à sua diferença de massa.

O fracionamento isotópico que acompanha uma mudança de estado ou uma reação química segue uma lei diferente dependendo se ocorre:

perto do equilíbrio . A razão de fracionamento (onde r denota uma razão isotópica) segue uma lei conhecida e depende em particular da temperatura. É bem utilizado em petrologia (para determinar a temperatura na qual as rochas se equilibraram); ${\ displaystyle \ alpha = {\ tfrac {r _ {\ mathrm {produto}}} {r _ {\ mathrm {d {\ agudo {e}} parte}}}}}$
longe do equilíbrio. É então a velocidade da transformação ou reação que não é a mesma para os diferentes isótopos. Este fracionamento cinético é em geral mais acentuado do que o fracionamento em equilíbrio. É usado em paleoclimatologia (para determinação de paleotemperaturas ) e em paleobiologia (para demonstração da ação de processos biológicos em amostras muito antigas).

Também há uma diferença na velocidade de outros processos, como fluxo através de um meio poroso ou difusão química . Este efeito isotópico é usado em particular para o enriquecimento de urânio .

Origem

A própria existência de fracionamento isotópico pode parecer paradoxal porque isótopos do mesmo elemento são considerados como tendo as mesmas propriedades físicas e químicas (porque tendo o mesmo número de prótons, eles têm o mesmo número de elétrons e, portanto, a mesma procissão eletrônica , e que é o último que confere as propriedades químicas e a maior parte das propriedades físicas). Mas essa identidade só é verdadeira como uma primeira aproximação:

alguns processos físicos envolvem diretamente a massa de átomos ou moléculas . Este é particularmente o caso da difusão , como mostrado, por exemplo, pela lei da difusão em um meio gasoso . Por exemplo, 235 moléculas de UF 6 se difundem mais rápido do que 238 moléculas de UF 6 , simplesmente porque são mais leves;
durante uma mudança de fase, as moléculas mais leves se movem um pouco mais rápido de uma fase para outra do que as moléculas mais pesadas da mesma composição química. Durante a evaporação da água do mar, por exemplo, o vapor d'água produzido é um pouco menos rico em HDO do que a água do mar inicial. Em uma reação química, também as moléculas mais leves reagem um pouco mais rápido do que as moléculas mais pesadas;
fica mais difícil entender por que as propriedades de equilíbrio também diferem, um pouco, dependendo da composição isotópica. Mas a massa atômica também está envolvida, como mostra a analogia abaixo;

Analogia

Em um cristal, átomos ou moléculas vibram, um pouco como se estivessem conectados por molas. O período de vibração de um peso preso a uma mola é , onde $m$ denota a massa do peso $ek$ a rigidez da mola. A mola desempenha o papel de interações (atração e repulsão) entre átomos ou moléculas. Mesmo que a rigidez não mude, a frequência das vibrações muda com a massa: as quantidades energéticas de qualquer material, que envolvem as energias de vibração, variam um pouco dependendo da composição isotópica. ${\ displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {m / k}}}$

finalmente, mesmo as propriedades diretamente ligadas à única procissão eletrônica, como a energia de ionização , não são estritamente idênticas entre dois isótopos do mesmo elemento. A presença de nêutrons adicionais no núcleo atômico modifica o efeito de blindagem do núcleo pelos elétrons centrais , o que modifica muito ligeiramente a energia dos elétrons periféricos .

Notas e referências

Notas

Essa proporcionalidade é falha no caso do hidrogênio , porque as diferenças de massa entre os isótopos ( 1 H , 2 H , 3 H ) não são pequenas em comparação com a massa atômica de um ou de outro.
Quando um elemento químico está presente em diferentes sítios cristalográficos do produto, o fracionamento isotópico pode ser diferente para os diferentes sítios.
O fracionamento cinético de isótopos, como o de elementos químicos, pode variar de face a face do mesmo cristal. Podemos assim observar um zoneamento setorial químico e isotópico.

Referências

(in) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard e Stephen Balan, " Site-specific equilibrium isotopic fraccionamento de oxigênio, carbono e cálcio em apatita " , Geochimica and Cosmochimica Acta , vol. 219,15 de dezembro de 2017, p. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).

Veja também

links externos

AlphaDelta: Calculadora de Fracionamento de Isótopos Estáveis - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi