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同位素瑞利分馏、同位素动力学分馏和平衡分馏的关系

已有 1761 次阅读 2023-10-7 21:01 |系统分类:科研笔记

    同位素瑞利分馏和同位素动力学分馏都是同位素地球化学中的概念,涉及同位素比例在地质或生物过程中的变化,但它们关注的是不同方面,有一些关联但不同的关系。瑞利分馏(Rayleigh fractionation)是一种同位素分馏的过程,通常发生在开放系统中,其中不同同位素的化合物在蒸发和凝聚过程中发生分离。这个过程得名于英国物理学家Lord Rayleigh,他首次描述了这种分馏现象。在瑞利分馏中,不同同位素的分子或原子以不同的速率蒸发或凝结,因为它们具有不同的物理化学性质,尤其是不同的蒸气压。具有较高蒸气压的同位素化合物更容易蒸发,而具有较低蒸气压的同位素化合物更难蒸发。因此,在蒸发和凝结过程中,较轻的同位素会富集在已蒸发或已凝结的相中,而较重的同位素则会富集在未蒸发或未凝结的相中。瑞利分馏的一个常见例子是地球大气中的同位素分馏。当空气中的水蒸气冷却并凝结成云或雨滴时,较轻的同位素(如氢的不同同位素)更容易凝结,而较重的同位素富集在残留的水蒸气中。这可以导致降水中不同同位素的比例与初始水蒸气中的比例有所不同。瑞利分馏也在其他自然过程中发挥作用,如地下水的形成、岩石矿物的形成等。它在地质学、气象学、地球化学和天文学等领域中有广泛的应用,有助于科学家们了解同位素的分布和地球内部及宇宙中的各种过程。

  1. 同位素瑞利分馏(Isotopic Rayleigh Fractionation):

    • 瑞利分馏是一种自然界中常见的同位素分馏过程,通常发生在开放系统中,其中不同同位素的化合物在蒸发和凝聚过程中发生分离。这一过程通常是由于不同同位素的化合物具有不同的蒸气压,导致它们在相变过程中以不同的速率分离。瑞利分馏的一个常见例子是海水蒸发的过程。在这个过程中,水中的不同同位素(如氢和氧的同位素)以不同的速率蒸发,导致蒸发后的水中同位素的比例发生变化。这可以导致蒸发后的水中某些同位素的富集,而其他同位素的相对贫化。另一个例子是大气中的水滴形成过程。当水蒸气冷却并凝结成水滴时,不同同位素的水分子也以不同的速率凝结,导致形成的水滴中同位素的分布发生变化。瑞利分馏是地球化学研究中的一个重要概念,可以帮助科学家们了解自然界中同位素的分布和地质过程中的同位素分馏。这个概念也在气象学、海洋学和其他科学领域中有广泛的应用。

    • 在岩石或矿物的结晶、化学反应或物理过程中,也可以产生不同同位素的分馏效应。 这意味着在这些过程中,某些同位素更容易进入新形成的矿物或岩石,而其他同位素则更容易保留在溶液中。 同位素瑞利分馏可用于解释岩石和矿物中同位素比例的变化,以了解岩石和矿物的形成历史和过程。

  2. 同位素动力学分馏(Isotopic Kinetic Fractionation):

    • 同位素动力学分馏关注的是同位素在地质或生物过程中的反应速度差异。它考虑了同位素在反应中的动力学效应,即不同同位素的反应速率不同。同位素动力学分馏通常用于解释同位素反应速度的差异,例如同位素衰变的速率或化学反应中的同位素分馏。 

    这两种分馏过程都可以在地球化学研究中应用,以解释同位素比例的变化。同位素瑞利分馏通常更关注于 具体岩石、矿物或地质过程,而同位素动力学分馏更关注于同位素之间的反应速率。在某些情况下,同位素动力学分馏可以导致同位素瑞利分馏。例如,如果一个岩石中的同位素在结晶过程中的速率差异很大,那么它们的分馏效应可能会受到同位素动力学的影响。总之,同位素瑞利分馏和同位素动力学分馏都是在同位素地球化学中用于解释同位素比例变化的有用概念,但它们关注的方面略有不同,有时会相互关联。

  • 同位素平衡分馏(isotopic equilibrium fractionation):

   是指在化学反应达到平衡时,由于同位素质量不同而导致同位素分布发生变化的现象。它是一种平衡过程,即在反应达到平衡时,同位素分馏的程度就不会发生变化。同位素平衡分馏的发生原理是,在化学反应中,同位素质量较大的分子往往具有更高的振动能量,因此更容易从反应物转化为产物。这导致在反应过程中,同位素质量较大的分子会富集在产物中,而同位素质量较小的分子会富集在反应物中。

同位素平衡分馏的程度可以用分馏因子(fractionation factor)来表示:

α = (A/B)product / (A/B)reactant

其中,A 和 B 是同位素质量不同的原子或分子,product 表示产物,reactant 表示反应物。

同位素平衡分馏的程度取决于以下几个因素:

  • 反应物的化学性质:反应物的化学性质越强,同位素平衡分馏的程度越大。

  • 反应物的温度:反应温度越低,同位素平衡分馏的程度越大。

  • 反应物的浓度:反应物的浓度越低,同位素平衡分馏的程度越大。

    在化学反应中,动力学分离和平衡分馏的物理本质是相同的。它们都源于同位素替代引起零点能的变化。较重的同位素会降低振动频率,从而降低自由能,使其更加稳定。因此,可以说它们是同一物理现象的不同表现。在一个已经达到平衡的化学反应中,不同化合物对于重同位素的竞争是平衡同位素效应的结果。例如,在二氧化碳溶解于水的反应中,二氧化碳中的13C含量与水合二氧化碳的13C含量之间的差异就是平衡分离的结果。在一个不可逆反应进行的过程中,被重同位素替代的反应物的势能较低,活化能较高,因此反应速率较慢,这就是动力学分馏。例如,在光合作用的碳固定反应中,12CO2比13CO2更容易与酶结合,因此生物质中的碳比大气中的碳更缺乏13C。上述分类主要适用于化学反应中的同位素分馏。同位素分馏也发生在其他情况下,如扩散分馏、重力分馏、热分馏和相变分馏。一般而言,在达到稳态的体系中,同位素的分布被称为平衡分馏,而不可逆过程对同位素的选择性被称为动力学分馏。因此,重力分馏、热分馏和相变分馏通常归类为平衡分馏,而扩散分馏则属于动力学分馏。

参考资料:维基百科



https://m.sciencenet.cn/blog-3549522-1405063.html

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1 王安良

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