Изотопный обмен.Особенности реакций изотопного обмена.

Изотопный обмен – реакция, единственным результатом которой является перераспределение

изотопов какого-либо элемента между реагирующими веществами. Изотопный обмен основан на химических реакциях, при которых происходит термодинамически равновесное перераспределение изотопов какого-либо элемента между реагирующими веществами. При изотопном обмене вещества сохраняют неизменным свой элементный состав и переходят лишь из одних изотопных форм в другие. Такие реакции могут протекать также между различными изотопными формами одного и того же вещества. Возможности проведения реакций изотопного обмена весьма различны:

они могут протекать в гомогенных условиях (между растворённым веществом и растворителем, между реагирующими веществами в нейтральном растворителе, в смеси газов и т.п.), а также в гетерогенных условиях (между твёрдым и жидким веществом и нерастворимым газом, между газами на поверхности твёрдого катализатора и т.д.). Равновесие изотопного обмена характеризуют коэффициентом распределения изотопов и константой равновесия реакции. Коэффициентом равновесия называется величина, показывающая, во сколько раз отношение равновесных концентраций изотопов в одном из реагирующих компонентов больше соответствующего отношения в другом. Константа равновесия представляет собой отношение равновесных концентраций конечных и начальных изотопных форм реагирующих компонентов. Специфическая особенность реакций изотопного обмена, отличающая их от обычных (элементных) химических реакций, состоит в том, что концентрации реагирующих компонентов остаются неизменными, а изменяется лишь их изотопный состав. Эта особенность приводит к тому, что эти реакции, независимо от их истинного механизма, практически могут быть описаны кинетическим уравнением первого порядка. Изотопный обмен протекает по различным механизмам, причём встречаются все механизмы, присущие элементным химическим реакциям, и, сверх того, механизмы, не имеющие прямых аналогов в

обычной химии. Изотопный обмен может быть одно-, двух- и многостадийным, гомогенным и гетергенным. В основе его могут лежать переходы электронов, ионов, атомов, групп атомов и целых молекул. В качестве промежуточных стадий реакций изотопного обмена могут наблюдаться диссоциация молекул на заряженные или незаряженные частицы, ассоциации отдельных частиц, внутримолекулярные перегруппировки атомов. Кроме того, изотопный обмен для каждого данного элемента имеет свои характерные черты. Изотопный обмен широко применяют в различных исследовательских и препаративных работах, а также в промышленности. Им пользуются для разделения природных стабильных изотопов химическими методами, основанными на неравномерном равновесном распределении изотопов между веществами. Например, для концентрирования дейтерия при промышленном получении тяжёлой воды применяются реакция изотопного обмена:

Применение нескольких ступеней позволяет получать высокое обогащение водорода, азота, серы, кислорода, углерода, лития отдельными изотопами. Достоинства молекулярно-кинетических и физико-химических методов: возможность экономичного изотопного разделения в промышленных масштабах и практически полное использование вещества в одном цикле разделения. Недостатки: необходимость газовой фазы (не все элементы образуют стойкие газообразные соединения); значительное количество смеси; неуниверсальность установок; разделительные каскады и колонны должны содержать значительные количества концентрируемых изотопов.

12. Методы определения возраста геологических пород.

Абсолютная геохронология устанавливает возраст г.п. в единицах времени. Определение абсолютного возраста необходимо для корреляции и сопоставления биостратиграфических подразделений различных участков Земли, а также установления возраста лищенных палеонтологических остатков фанерозойских и долембрийских пород. К методам определения абсолютного возраста пород относятся методы ядерной (или изотопной геохронологии) и не радиологические методы Методы ядерной геохронологии в наше время являются наиболее точными для определения абсолютного возраста г.п., в основе которых лежит явление самопроизвольного превращения радиоактивного изотопа одного элемента в стабильный изотоп другого. Суть методов состоит в определении соотношений между количеством радиоактивных элементов и количеством устойчивых продуктов их распада в горной породе. По скорости распада изотопа, которая для определенного радиоактивного изотопа есть величина постоянная, количеству радиоактивных и образовавшихся стабильных изотопов, рассчитывают время, прошедшее с начала образования минерала (соотв. И породы). Разработано большое число радиоактивных методов определения абсолютного возраста: свинцовый, калиево-аргоновый, рубидиево-стронциевый, радиоуглеродный и др. (выше установленный возраст Земли 4, 6 млрд. лет не установлен с применением свинцового метода). Не радиологические методы уступают по точности ядерным. Соляной метод был применен для определения возраста Мирового океана. Он основан на предположении, что воды океана были первоначально пресными, то, зная современное количество солей с континентов, можно определить время существования Мирового океана (~ 97 млн. лет). Седиментационный метод основан на изучении осадочных пород в морях. Зная объем и мощность морских отложений в з.к. в отдельных системах и объем минерального вещества, ежегодно сносимого в моря с континентов можно вычислить продолжительность их наполнения. Биологический метод базируется на представлении о сравнительно равномерном развитии орг. мира. Исходный параметр - продолжительность четвертичного периода 1, 7 - 2 млн. лет. Метод подсчета слоев ленточных глин, накапливающихся на периферии тающих ледников. Глинистые осадки откладываются зимой, а песчаные летом и весной, т.о. каждая пара таких слоев результат годичного накопления осадков (последний ледник на Балтийском море прекратил свое движение 12 тысяч лет назад).

12 Методы определения возраста геологических пород

Гелиевый метод. Гелиевый метод основан ядерных превращения, происходящих в природных рядах генетически связанных радионуклидов (U, Th, AcU). α -частицы, испускаемые при распаде членов ряда, стабилизируются в виде атомов гелия-4 и накапливаются в минерале в течение геологического времени. В результате распада атома 238U и ряда последующих ядерных превращений сравнительно быстро (за время, несколько меньшее миллиона лет) образуется восемь α -частиц. Ввиду того, что пробеги этих частиц в плотных средах очень малы, большинство образованных атомов гелия (после замедления, α -частицы, являющиеся ионами гелия, могут легко приобрести два электрона, окисляя почти любое вещество) задерживается в кристаллической решетке минерала. В благоприятных условиях при очень малой проницаемости минералов, некоторых оптимальных значениях размеров отдельных кристаллов и низком содержании (давлении) гелия, обусловленном малым содержанием урана, гелий сохраняется в минерале в течение геологических периодов. В этом случае по содержанию гелия можно судить о том, какое количество урана претерпело превращение с момента образования руды. Источником гелия в рудах может являться и торий, выделяющий в конечном итоге шесть α -частиц на один атом. При использовании гелиевого метода определения возраста необходимо учитывать и эту возможность. Для анализа гелия, урана и тория разработаны очень чувствительные методы, позволяющие определять в горных породах уран и торий при содержании последних менее одной части на миллион. Гелиевый метод был первым использован при исследовании возраста минералов, но область применения этого метода ограничена вследствие возможности утечки гелия из минералов за время их существования (открытость системы). Данные возраста, полученные гелиевым методом, обычно являются заниженными вследствие плохой сохранности. Хорошей сохранностью гелия характеризуются только минералы с плотной кристаллической упаковкой, такие, как магнетит, шпинель, циркон, монацит. Однако применение гелиевого метода к анализу железных метеоритов дало величины возраста, существенно завышенные по сравнению с данными других методов. Эти результаты представлялись крайне удивительными до тех пор, пока не было установлено, что указанный метод неприменим для определения возраста объектов, попавших на землю из космического пространства. В таких объектах накапливаются дополнительные количества гелия за счет ядерных реакций скалывания, протекающих под действием быстрых частиц, входящих в космические лучи. Это объяснение было подтверждено данными масс-спектрометрического анализа гелия из метеоритов. Оказалось, что в этом случае примерно 20% общего количества гелия приходится на долю изотопа с массой 3, в то время как продуктом α -распада является, конечно, только 4Не

12 Методы определения возраста геологических пород

Стронциевый метод. Стронциевый метод основан на радиоактивности изотопа 87Rb, содержание которого в рубидии составляет 27, 2%. В результате распада 87Rb в минералах накапливается радиогенный стронций 87Sr. Возраст вычисляют по отношению 87Sr/87Rb, определенному масс-спектрометрическим методом изотопного разбавления. Большой период полураспада 87Rb (5х10¹⁰

лет) и сравнительно малая распространенность рубидия вземной коре делают рубидиево-стронцивый метод пригодным преимущественно для определения возраста древних пород. Определение возраста проводится путем сопоставления содержания в исследуемом образце рубидия и стронция. Возраст пород и минералов рассчитывают по радиогенному 87Sr, накопившемуся за счет радиоактивного распада 87Rb, по формуле Эти изотопы лучше всего анализировать масс-спектрометрически, хотя определение общего содержания рубидия можно проводить и обычными аналитическими методами. Близкое совпадение результатов, полученных при использовании рубидиево-стронциевого и аргонового методов, по-видимому, свидетельствует о надежности определений возраста. Действительно, вследствие того, что дочерние продукты этих пар сильно различаются по химическим свойствам, любые геохимические процессы оказали

бы совершенно различное влияние на отношение содержаний Rb/Sr и K/Ar. Наиболее надежные результаты получаются методом изохрон, пригодным для определения возраста группы продуктов дифференциации одной материнской породы, например одной интрузии. В координатах 87Sr/86Sr=f(87Rb/86Sr) точки для всех продуктов родственного происхождения ложатся на одну прямую, наклон которой будет функцией возраста). Точка пересечения изохроны с осью ординат дает отношения 87Sr/86Sr в материнской породе. Минералами, пригодными для определения

возраста стронциевым методом, являются слюды и полевые шпаты, содержащие заметные количества радиогенного стронция и малые количества обычного стронция нерадиогенного происхождения. Метод экспериментально труден, чем объясняется ограниченность его применения.

Рубидиево-стронциевый метод определения возраста в настоящее время считается одним из наиболее надежных. В соответствии с данными рубидиево-стронциевого метода возраст наиболее древних пород равен (2.6-3.0)*10⁹ лет, а ряда метеоритов - 4.5*10⁹ лет.

12 Методы определения возраста геологических пород

Процессы радиоактивного распада протекают самопроизвольно с постоянной скоростью, различной у разных элементов, причем эта скорость не зависит ни от температуры, ни от давления. Для каждого радиоактивного элемента экспериментальным путем точно определена скорость распада (период полураспада). Зная количество исходного радиоактивного элемента и продуктов его распада в горной породе, а также период полураспада, можно выяснить возраст этой горной породы. Расчет производят по специальным формулам. В настоящее время для определения абсолютного возраста горных пород используют данные, полученные в результате радиоактивного распада урана, тория, калия, рубидия, углерода и некоторых других элементов. Все эти элементы, кроме радиоактивного углерода, имеют длительные периоды полураспада — в сотни миллионов и миллиарды лет. В зависимости от конечных продуктов распада различают свинцовый, гелиевый, аргоновый и стронциевый методы.Свинцовый и гелиевый методы начали применять раньше, чем другие. В их основе лежит процесс превращения радиоактивного урана и тория в инертный газ гелий и свинец

(U^{238 →}8Не⁴ + Pb²⁰⁶; U^235→7Не⁴ + РЬ²⁰⁷;

Th^232→6He⁴ + Pb²⁰⁸).

Для определения абсолютного возраста используют минералы, содержащие более 1% урана или тория, встречающиеся в магматических породах. Свинцовый метод употребляют чаще, чем гелиевый, так как он точнее.Аргоновый метод основан на распаде радиоактивного калия и превращения его в инертный газ аргон (К^40→Аг⁴⁰). Он был разработан советскими учеными в 1949 г. и в настоящее время является основным. Этот метод можно применять для определения возраста магматических и осадочных пород, так как первичные калиевые минералы в большом количестве распространены в магматических (полевые шпаты, слюды) и осадочных породах (глауконит). В отличие от гелия аргон лучше сохраняется в кристаллической решетке минералов.Стронциевый метод основан на радиоактивном распаде рубидия (Rb^87→Sr⁸⁷). Этот метод применим только для определения возраста древних, докембрийских пород, так как период полураспада Rb⁸⁷очень велик (50 млрд. лет).Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода С¹⁴ в растительной ткани (обычно в древесине). Этот изотоп образуется в атмосфере из азота N¹⁴ под воздействием космических лучей и усваивается живыми организмами. После отмирания организма.происходит распад С¹⁴ с определенной скоростью, что и позволяет определить абсолютный возраст захоронения организма и вмещающих его пород. Период полураспада С¹⁴приблизительно равен 5, 5—6 тыс. лет, поэтому этот метод используют для определения возраста молодых четвертичных отложений и в археологии (когда возраст объектов исследования не превышает 50—70 тыс. лет).Радиометрические методы определения абсолютного возраста горных пород быстро развиваются и совершенствуются, область их применения непрерывно расширяется. Наибольшую ценность они имеют для изучения древних, докембрийских отложений. В последние годы широкое применение радиометрических методов привело к полному пересмотру стратиграфии докембрия.Несмотря на большое значение, радиометрические методы все еще являются вспомогательными по ряду причин. Во-первых, невелика еще точность определения (ошибки составляют 3—5%); во-вторых, далеко не во всякой горной породе можно найти минералы с радиоактивными элементами; в-третьих, радиометрические методы весьма сложны и дорогостоящи. Указанные недостатки снимают ценность этих методов и пока не позволяют сделать их универсальными рабочими методами геохронологии.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒