Разделение изотопов в природе

Разделение изотопов в природе обусловлено различиями физико-химических свойств, связанными с их массой и определяющими разные скорости их диффузии, испарения и т. д. Термодинамические особенности изотопов и их соединений несколько различаются, чем объясняется их несколько отличное поведение при химических реакциях. Несмотря на очень малые величины таких различий, многократное повторение изотопного фракционирования в длительно развивающихся природных процессах может привести к заметному перераспределению изотопов в их смесях-элементах.

Разделение изотопов в природе обусловливает следующие процессы.

• Реакции изотопного обмена при подвижных равновесных процессах — соединения, в составе которых участвует один и тот же элемент, могут обмениваться изотопами этого элемента. В результате в одних соединениях избирательно накапливаются легкие изотопы, а в других — тяжелые. Причина перераспределения изотопов связана с тем, что величины изменения энергетических уровней атомов в образующихся соединениях слегка различаются для разных изотопов и скорости прямой и обратной реакций оказываются для них неодинаковыми. Коэффициент разделения изотопов в обменных реакциях определяется условиями равновесия.
• Химические реакции при однонаправленных процессах — небольшие различия свойств изотопов определяют разные скорости, с которыми изотопы и их соединения вступают в реакции, что приводит к избирательному накоплению отдельных изотопов в продуктах реакций. Почти всегда более активны легкие изотопы, но есть реакции, в которых активнее участвуют тяжелые изотопы.
• Абсорбция и катионный обмен — для отдельных элементов доказано избирательное накопление легких или тяжелых изотопов при этих явлениях (например, цеолиты захватывают преимущественно легкие изотопы лития и тяжелые изотопы калия). Возможно, что пористые и глинистые породы способствуют фракционированию изотопов.
• Диффузия газов и жидкостей через пористые массы горных пород — разделение изотопов в этих условиях может осуществляться вследствие относительно больших скоростей движения молекул, обогащённых легкими изотопами. Разделение изотопов водорода, кислорода, углерода, азота, хлора и других было осуществлено методами газовой диффузии.
• Дифференциация вещества — при метаморфизме установлена возможность разделения изотопов некоторых элементов при миграции ионов или атомов сквозь кристаллические решётки минералов (миграция изотопов меди в сульфиде серебра). Аналогичные явления могут быть причиной изотопного фракционирования при метаморфической дифференциации вещества горных пород и руд.
• Биогенные процессы — в результате жизнедеятельности некоторых организмов, например сульфатредуцирующих бактерий, избирательно накапливающих те или иные изотопы, происходит заметное разделение изотопов ряда элементов, что подтверждается сравнительным изучением изотопного состава элементов в минералах и породах органического и неорганического происхождения.