Geochemie stabilních izotopů (lehkých prvků) LS 2012/2013. J. Zachariáš G431P30.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Geochemie stabilních izotopů (lehkých prvků) LS 2012/2013. J. Zachariáš G431P30."

Tomáš Hruda
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Geochemie stabilních izotopů (lehkých prvků) LS 2012/2013 G431P30 J. Zachariáš

2 G431P30 rozsah 2/0, přestávka dle potřeby cca 15 min v závěru hodiny bude vyhrazeno pro cvičení Na přednášce budou zadávány nepravidelně domácí práce, jejichž cílem je procvičit si z týdne na týden probrané téma, či připravit půdu pro následující téma. Zkouška je písemná, včetně 3 příkladů na výpočet (kalkulačku s sebou!). Za každou správně zodpovězenou otázku jsou až +2 body, za špatně -2 body, za žádnou odpověď je nula bodů. Ústní přezkoušení je možné, ale teprve až po absolvování písemné části (včetně příkladů).

3 Historie oboru

4 : objev izotopů ~1800 rozlišovány sloučeniny a známo asi 39 prvků John Dalton oživuje řecký model stavby látek první atomovový model stavby látek atomy jsou dále nedělitené, všechny atomy téhož prvku stejné vlasnosti i hmotnost. Atomy různých prvků mají různé vlastnosti. ~1870 známo 65 prvků, Mendělejev sestavuje známé prvky do periodické tabulky postupný objev a izolace Ar He Ne, Kr, Xe - Rn 1900 téměř kompletní periodická tabulka prvků (kromě U) ~1900 přesná měření atomových hmotností prvků variace!! (Pb, Co, Ni, Te, aj), objev radiace, rozpadu (Roentgen, Currie, Becquerel, Thompson) 1913 J.J. Thompson zjistil že neon je tvořen atomy dvou různých hmotností ( 20 Ne, 22 Ne) katodová trubice měření q/m 1914 Frederic Soddy zavádí termín isotopy ( iso topos ) prvek může být tvořen více izotopy, které se liší svojí hmotností 1914 F.W. Aston vylepšil Thompsonovu katodovou trubici pro měření těžších prvků (q/m) a přístroj poprvé nazývá jako hmotový spektrograf 1919 pomocí něj bylo do roku 1919 popsáno 212 ze 287 přírodních izotopů Dnes známo cca 2500 nuklidů (stabilních i nestabilních) od cca 110 prvků.

1934 Dole M, separuje izotopy vodíku 1920-1946: počátky oboru 1925 H. Briscoe a P.

předpokládají frakcionaci izotopů během různých přírodních procesů 1926 V. I.

Harold Clayton a kol změřili 2 H a určili jeho koncentraci (v roce 1934 dostává za to

5 1934 Dole M, separuje izotopy vodíku : počátky oboru 1925 H. Briscoe a P. Robinson (UK) zaznamenali rozdíly v atomové hmotnosti bóru z různých minerálů/prostředí předpokládají frakcionaci izotopů během různých přírodních procesů 1926 V. I. Vernadskij (Ru/Ukr) předpokládá izotopovou frakcionaci i v živých systémech 1932 UREY Harold Clayton a kol změřili 2 H a určili jeho koncentraci (v roce 1934 dostává za to Nobelovu cenu za chemii) později zpracovává základy teorie izotopových výměnných reakcí a realizuje související experimenty

6 40. léta 20 stol.: první přesná měření přírodních látek počátky izotopové geologie (stabilní izotopy) Urey H.C. a kol. - (Columbia University, Chicago, USA) základy teorie izotopových výměnných reakcí a související experimenty Nier A. (Univ. of Minesota, USA) - hmotový spektrometr, prvá měření přírodních materiálů 1946 H.C. Urey přednáškové turné po Evropě semiempirické výpočty izotopových frakcionací (později vyšlo jako The Thermodynamic Properties of Isotopic Substances (1947), Transaction of Royal Society of London); Na přednášce v Zurichu (ETH), Paul Niggli se dotazuje H.C. Urey zda by šlo izotopové složení použít k rozlišení mezi karbonáty sladkovodního a mořského původu. Urey dospěl k teoretickému předpokladu, že hodnoty této frakcionace O mezi CaCO 3 a H 2 O jsou výrazně ovlivněny teplotou počátek paleotermometrie 1940s přesnost extrakčních technik a hmotové spektrometrie neumožňuje měření použitelná pro paleotermometrie (tehdy ±5 C, dnes ± 0.5 C)

7 : Urey a spol přesnost extrakčních technik a hmotové spektrometrie neumožňuje měření použitelná pro paleotermometrie (tehdy ±5 C, dnes ± 0.5 C) H. C. Urey + tým doktorandů a spolupracovníků: (10x zvýšili přesnost MS) H. Craig J. McCrea reprodukovatelná extrakce CO 2 z biogenních karbonátů (--, 1950, ON THE ISOTOPIC CHEMISTRY OF CARBONATES AND A PALEOTEMPERATURE SCALE, 1985x citovaná) C. Emiliani karbonátová paleotermometrie, kyslíková škála H. Lowenstam paleontolog C. McKinney elektrotechnický inženýr od 1949 vzniká řada základních prací, hlavní světová centra výzkumu izotopů: Chicago, Hamilton (CA), Kodaň, Moskva od 1970 i jiné typy přístrojů pro měření izotopových poměrů od ½ 90 let - větší rozšíření a přesnost nových přístrojů

8 Některé publikace z raného období

9 Co jsou izotopy?

10 Co jsou izotopy? Částice Náboj Hmotnost (g) Proton * Neutron * Elektron * Hmotové číslo (A) Protonové číslo (Z) Neutronové číslo (N) A = Z + N 1 H (PROTIUM) 2 H (DEUTERIUM) 3 H (TRITIUM) Každý prvek je jednoznačně určen počtem protonů (Z) Izotopy téhož prvku se liší počtem neutronů v jádře (N, A) Chemické vlastnosti prvku závisí zejména na konfiguraci elektronů. Variace v počtu neutronů neovlivňují zásadně chemické vlastnosti prvku, ale způsobují pouze drobné variace v jeho fyzikálních vlastnostech, které se projevují frakcionací izotopů.

11 Co jsou izotopy?

12 Počet protonů 40 20Ca známo >110 prvků známo > 2500 nuklidů cca ½ prvků má alespoň 2 stabilní izotopy Počet neutronů

13 Radioaktivní a stabilní nuklidy Radioaktivní nuklidy: rozpadají se na dceřiné atomy za současné emise záření (a, b, g), statisticky předpověditelné rychlosti rozpadu Stabilní nuklidy: radiogenní stabilní nuklidy = koncové produkty rozpadových řad (např. 207 Pb) jejich množství = fcí (času a množství matečného prvku) neradiogenní stabilní nuklidy jejich spontánní rozpad je z hlediska pravděpodobnosti zanedbatelný a prakticky není měřitelný celkové množství není fcí času ale způsobu vzniku (Big Bang) variace v jejich četnosti (frakcionace) odráží různé fyzikální procesy

14 Izotopology vs. Izotopomery V případě molekul na jejichž stavbě se podílejí prvky které mají více než jeden stabilní izotop se mluví o: izotopicky substituovaných molekulách (Urey) dnes se nepoužívá izotopology ( isotopologues ) liší se pouze izotopovým složením mohou, ale nemusí mít stejnou hmotnost příklad CO: 12 C 16 O, 13 C 16 O, 12 C 17 O, 13 C 17 O, 12 C 18 O, 13 C 18 O izotopomery ( isotopomers isotopic isomers ) liší se vzájemně pouze pozicí jednotlivých izotopů ve struktuře sloučeniny, nikoli v jejich počtu či v celkové hmotnosti typické jsou pro organické sloučeniny z anorganických sloučenin sem patří např. oxidy N a ozón: ( 15 N 14 NO či 14 N 15 NO) ( 18 O 16 O 16 O či 16 O 18 O 16 O)

15 Klasické a moderní stabilní izotopy Žlutě netradiční prvky popsané v Reviews in Mineralogy v. 55 Bíle monoizotopické prvky Modře prvky s více stabilními izotopy Černý rámeček klasické stabilní izotopy (H, C, N, O, S) Červený rámeček nově studované netradiční stabilní izotopy (včetně několika klasických, ale méně častěji studovaných)

16 Základní společné charakteristiky tradičních stabilních izotopů (H, C, O, N, S) 1. Prvky mají relativně nízké atomové hmotnosti 2. Relativní hmotnostní rozdíl mezi vzácným a hojným izotopem je velký (100 % pro D-H, 8.3 % pro 13 C- 12 C, ale jen 1.2 % pro 87 Sr- 86 Sr) 3. Prvky tvoří chemické vazby, které mají vysoký podíl vazby kovalentního typu. 4. Prvky mohou existovat ve více oxidačních stavech, tvoří mnoho sloučenin a účastní se velkého počtu procesů. 5. Četnost výskytu vzácného izotopu je dostatečná (X0-0,X %) pro přesná analytická stanovení (vs. 3 He %).

17 Rozdíly v hmotnosti izotopů

18 Počet stabilních izotopů prvků

19 Rozsah variací izotopového složení klasických stabilních izotopů Vodík ( 1 H 2 H) Celkové variace až 400 Síra ( 32 S 34 S 36 S) Celkové variace až 150

20 Rozsah variací izotopového složení netradičních stabilních izotopů

21 Základní oblasti použití stabilních izotopů 1. Izotopová termometrie HT: magmatická a metamorfní petrologie MT: hydrotermální mineralizace a procesy LT: paleoklimatologie, diageneze 2. Použití izotopů jako stopovačů ( tracers ) Hydrologie/hydrogeologie Určení zdrojového reservoáru, příp. mísení více zdrojů Biologie, medicína, etc., antropogenní vs přirozená kontaminace Kvalita a původ některých produktů (celní správa) Sledování a identifikace reakčních cest (mechanismů) chemických (biochemických) reakcí

Podobné dokumenty

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou Chemie Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou JÁDRO ATOMU A RADIOAKTIVITA VY_32_INOVACE_03_3_03_CH Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou Atomové jádro je vnitřní