Физико-химические основы разделения изотопов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Физико-химические основы разделения изотопов

27.07.2020

Химические свойства отдельных элементов определяются главным образом строением их электронных оболочек. Различие в протекании физико-химических процессов с участием изотопических разновидностей атомов и молекул обусловлено разницей масс атомов-изотопов, а также симметрией и энергетическими свойствами изотопических молекул. Это приводит к тому, что в равновесных условиях изотопические атомы распределяются между компонентами и фазами физико-химических систем не по принципу равновероятного статистического перераспределения, а в соответствии с константами реакций изотопного обмена.

В ряде физико-химических процессов, протекающих в неравновесных условиях, разделение изотопов может происходить вследствие кинетических факторов.

Для количественной оценки разделения изотопов в том или ином физико-химическом процессе пользуются величиной коэффициента разделения (фракционирования):
Физико-химические основы разделения изотопов

где N//1—N = R1 — атомная доля изотопа в обогащенной фракции (соединении); n/1—n=R2 — атомная доля изотопа в обедненной фракции (соединении).

Если содержание обогащаемого компонента невелико, что имеет место, например, при разделении естественных смесей изотопических разновидностей воды, можно принять 1—N = 1—n = 1 и тогда

При повторении процесса (реакции) разделения Краз., общий коэффициент разделения (фракционирования) будет равен ак.

Так как парциальные давления изотопических разновидностей молекул в паровой фазе пропорциональны отношению мольных долей и и 1—n, то уравнение (204) можно переписать в виде

где р0 — давление насышенного пара.

Или с учетом (205)

Если индекс 2 относится к легкому (более летучему) изотопному компоненту, то а > 1.

Используя зависимости (202) и (205), нетрудно показать, что

где ba и bb — изотопный состав сосуществующих равновесных фаз или компонентов. Величина ba—bb = А является константой при постоянной температуре. Таким образом, полином вида

практически описывает различие изотопного состава A сосуществующих фаз или компонентов в зависимости от абсолютной температуры.

Было установлено, что в состоянии изотопного равновесия при умеренных температурах кислородсодержащие породы более обогащены кислородом-18 по сравнению с водой. Разность обогащения, выражаемая как Д = bпорода—bаода, уменьшается с ростом температуры. Таким образом, вода, равновесная с породой, например при температуре 25° С, при нагревании будет обогащаться кислородом-18. Подобное явление широко наблюдается в водах глубоких структурных горизонтов и гидротермальных систем и носит название кислородного сдвига.

Подобно изотопам кислорода, в системе «порода—вода» наблюдается также фракционирование изотопов водорода при образовании кристаллогидратов, глинистых минералов, а в гидротермальных процессах — при серпентинизации и хлоритизации первичных магматических пород. Все эти процессы направлены таким образом, что вода, находящаяся в равновесии с породой, обогащается дейтерием по сравнению с образующимся минералом. Например, для системы «гипс—вода» коэффициенты фракционирования составляют а18О—1,004 и аD = 0,98, т. е. кристаллизационная вода гипса оказывается обогащенной кислородом-18 на 4% и обедненной дейтерием на 20% по сравнению с равновесным раствором. В процессе глинообразования также происходит фракционирование изотопов кислорода и водорода между водой и гидроксидсодержащим минералом, например каолином или монтмориллонитом. Глинистые минералы обогащены 18O п обеднены 2H по сравнению с водой.

Формирование изотопного состава природных вод, а также влияние различных факторов на процессы разделения изотопов в реальных условиях, рассмотрены далее.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: