Fraccionamiento de isótopos

Un fraccionamiento isotópico es una diferencia de comportamiento entre diferentes isótopos del mismo elemento químico durante un proceso físico o químico dado, de modo que la proporción de isótopos varía durante el proceso. C'est notamment le cas lors d'un changement d'état inabouti, d'une réaction chimique partielle ou d'un écoulement à travers un milieu poreux : le produit de la transformation partielle a une composition isotopique légèrement différente de celle du matériau de salida. La diferencia es más notable para elementos ligeros (de baja masa atómica ) que para elementos más pesados. Cuando se consideran más de dos isótopos, la variación en las diferentes propiedades cuantitativas entre estos isótopos es prácticamente proporcional a su diferencia de masa.

El fraccionamiento isotópico que acompaña a un cambio de estado o una reacción química sigue una ley diferente según se produzca:

cerca del equilibrio . La relación de fraccionamiento (donde r indica una relación isotópica) sigue una ley conocida y depende en particular de la temperatura. Se le da un buen uso en petrología (para determinar la temperatura a la que las rocas se han equilibrado); ${\ Displaystyle \ alpha = {\ tfrac {r _ {\ mathrm {producto}}} {r _ {\ mathrm {d {\ aguda {e}} parte}}}}}$
lejos del equilibrio. Entonces es la velocidad de la transformación o reacción la que no es la misma para los diferentes isótopos. Este fraccionamiento cinético es en general más marcado que el fraccionamiento en equilibrio. Se utiliza en paleoclimatología (para la determinación de paleotemperaturas ) y en paleobiología (para la demostración de la acción de procesos biológicos en muestras muy antiguas).

También hay una diferencia de velocidad para otros procesos como el flujo a través de un medio poroso o la difusión química . Este efecto isotópico se utiliza en particular para el enriquecimiento de uranio .

Origen

La mera existencia del fraccionamiento isotópico puede parecer paradójica porque se considera que los isótopos del mismo elemento tienen las mismas propiedades físicas y químicas (porque al tener el mismo número de protones tienen el mismo número de electrones y, por lo tanto, la misma procesión electrónica , y que es este último el que confiere las propiedades químicas y una parte importante de las propiedades físicas). Pero esta identidad solo es cierta como una primera aproximación:

algunos procesos físicos involucran directamente la masa de átomos o moléculas . Este es particularmente el caso de la difusión , como lo muestra, por ejemplo, la ley de difusión en un medio gaseoso . Por ejemplo, 235 moléculas de UF 6 se difunden más rápido que 238 moléculas de UF 6 , simplemente porque son más ligeras;
durante un cambio de fase, las moléculas más ligeras se mueven un poco más rápido de una fase a otra que las moléculas más pesadas de la misma composición química. Durante la evaporación del agua de mar, por ejemplo, el vapor de agua producido es un poco menos rico en HDO que el agua de mar inicial. En una reacción química también las moléculas más ligeras reaccionan un poco más rápido que las moléculas más pesadas;
Es más difícil entender por qué las propiedades de equilibrio también difieren, un poco, dependiendo de la composición isotópica. Pero la masa atómica también está involucrada, como muestra la siguiente analogía;

Analogía

En un cristal, los átomos o moléculas vibran, un poco como si estuvieran conectados por resortes. El período de vibración de un peso unido a un resorte es , donde $m$ denota la masa del peso $yk$ la rigidez del resorte. El resorte juega el papel de interacciones (atracción y repulsión) entre átomos o moléculas. Incluso si la rigidez no cambia, la frecuencia de las vibraciones cambia con la masa: las cantidades energéticas de cualquier material, que involucran las energías de vibración, varían un poco dependiendo de la composición isotópica. ${\ Displaystyle T = 2 \ pi {\ sqrt {m / k}}}$

finalmente, incluso las propiedades directamente vinculadas a la procesión electrónica única, como la energía de ionización , no son estrictamente idénticas entre dos isótopos del mismo elemento. La presencia de neutrones adicionales en el núcleo atómico modifica el efecto de apantallamiento del núcleo por los electrones del núcleo , lo que modifica muy levemente la energía de los electrones periféricos .

Notas y referencias

Notas

Esta proporcionalidad falla en el caso del hidrógeno , porque las diferencias de masa entre isótopos ( 1 H , 2 H , 3 H ) no son pequeñas en comparación con la masa atómica de uno u otro.
Cuando un elemento químico está presente en diferentes sitios cristalográficos del producto, el fraccionamiento isotópico puede ser diferente para los diferentes sitios.
El fraccionamiento cinético de los isótopos, al igual que el de los elementos químicos, puede diferir de una cara a otra del mismo cristal. Así podemos observar una zonificación sectorial química e isotópica.

Referencias

(in) Julie Aufort Loïc Segalen, Christel Gervais, Lorenzo Paulatto Marc Blanchard y Stephen Balan, " Fraccionamiento isotópico de equilibrio de sitio específico de oxígeno, carbono y calcio en apatita " , Geochimica y Cosmochimica Acta , vol. 219,15 de diciembre de 2017, p. 57-73 ( DOI 10.1016 / j.gca.2017.09.020 ).

Ver también

enlaces externos

AlphaDelta: Calculadora de fraccionamiento de isótopos estables - http://www2.ggl.ulaval.ca/cgi-bin/isotope/generisotope.cgi