Контрольная работа по "Геологии"

[pic 1]

СОДЕРЖАНИЕ

1. Фракционирование стабильных изотопов. Процессы, вызывающие фракционирование стабильных изотопов в природных объектах.[pic 2]

Изотопные ядра имеют одинаковый заряд, поэтому, на первый взгляд, соединения, содержащие различные изотопы, должны обладать одинаковыми физическими и химическими свойствами. Однако, термодинамические свойства соединений с различным изотопным составом различаются, что приводит к неодинаковому поведению изотопных молекул в химических реакциях.  Различия в физических и химических свойствах изотопных молекул получили название изотопные эффекты. Изотопные эффекты классифицируют в соответствии с областью, в которой они наблюдаются. Например: физические, химические, биологические, геологические, спектроскопические, кинетические. Существует и другой способ классификации, при котором изотопные эффекты делят на две группы: 1) зависящие от массы (изотопные эффекты I рода) и 2) не зависящие от массы (изотопные эффекты II рода) [Изотопы: свойства, 2005].

При анализе природных объектов наблюдаются следующие изотопные эффекты: различное распределение молекул газов в гравитационном поле Земли, изотопные эффекты в химическом равновесии, кинетические эффекты и другие. Для оценки степени проявления изотопных эффектов I рода используется параметр ΔM/M2, где ΔM – разность масс тяжелого и легкого изотопов, М2 – масса тяжелого изотопа. В максимальной степени эти эффекты выражены у изотопов легких элементов. Например, для изотопов водорода ΔM/M2 = 0,5 – 0,7. По мере увеличения массы изотопов, степень проявления эффекта быстро ослабевает и для наиболее тяжелых элементов (уран, торий) становится равной 0,01 – 0,03 [Изотопы: свойства, 2005]. Несмотря на небольшие величины ΔM/M2, многократное повторение фракционирования изотопов в длительно развивающихся природных процессах может привести к неравномерному перераспределению изотопов в объектах литосферы, атмосферы и биосферы.

Например, в атмосферном цикле наблюдается фракционирование изотопов воды. При испарении воды с поверхности океана пары ее обогащаются 1H и 16O, так как упругость паров H216O больше, чем HDO и H218O. Это объясняется термодинамическим изотопным эффектом. Пар, поднимающийся с поверхности океана, охлаждается и превращается в дождь. Процесс образования капель каждый раз сопровождается обеднением жидкой фазы тяжелыми изотопами 18O и D. Таким образом, по мере движения воздушных масс к полюсам и их охлаждения каждый новый дождь будет содержать меньше тяжелых изотопов, чем предыдущий. Многие живые организмы разделяют изотопы легких элементов. При фотосинтезе растения отдают предпочтение легкому изотопу 12С, поэтому в организмах и их производных содержание тяжелого изотопа 13С понижено, а в углекислом газе и в морских карбонатах – повышено [Фор, 1989].

Причины фракционирования стабильных изотопов в природных объектах различаются, в зависимости от вида изотопного эффекта. Изотопный эффект химического равновесия, т. е. различное распределение изотопов между фазами (жидкой и газообразной, жидкой и твердой, твердой и газообразной) имеет квантовую природу и обусловлен разностью энергий нулевых колебаний продуктов реакции и исходных веществ, отличающихся изотопным составом. Молекула с большей массой имеет меньшую колебательную энергию и наоборот. В результате тяжелый изотоп обогащает молекулу с более прочной химической связью. Обычно тяжелый изотоп концентрируется в более крупных молекулах и в соединениях с более высокой степенью окисления. Например, среди соединений SO2, SO3 и SO4 2- изотопом 18О в наибольшей степени будет обогащен сульфат-ион [Лукьянов и др., 1977].