Геохимики представили экспериментальную проверку принципа детального равновесия

Геохимики из Университета Индианы и Технологического университета Вирджинии разработали и продемонстрировали метод оценки применимости принципа, который долгое время был важен в термодинамике и химической кинетике, но оказывался сложным для экспериментальной проверки. Этот принцип, называемый принципом детального равновесия, широко используется в моделях для обеспечения долгосрочной безопасности таких проектов, как хранилища ядерных отходов или углекислого газа.

Исследование, опубликованное в журнале Geochemical Perspectives Letters, предлагает новый подход с использованием стабильных изотопов. Учёные провели эксперимент, в котором кварц, состоящий в основном из распространённого изотопа кремния, реагировал с раствором, обогащённым редким стабильным изотопом кремния. С помощью высокоточного метода MC-ICP-MS (масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой и многоколлекторной детекцией) они измерили изменение концентраций изотопов в растворе во времени. Это позволило установить скорости растворения и осаждения минерала и показать, что в состоянии равновесия они практически идентичны, что подтверждает применимость принципа.

Принцип детального равновесия, сформулированный в конце XIX – начале XX века, утверждает, что в равновесном состоянии каждый прямой процесс компенсируется обратным процессом, идущим с той же скоростью. Его экспериментальная проверка была редкой из-за методических сложностей. Как отметил профессор Чэнь Чжу, хотя принцип является краеугольным камнем химии и квантовой механики, его часто принимали на веру без прямой проверки для конкретных систем.

Подтверждение принципа имеет критическое практическое значение. Именно на нём основаны модели, прогнозирующие долгосрочное (свыше 10 000 лет) поведение геологических хранилищ, например, для захоронения CO₂ или радиоактивных отходов. Успешная проверка на кварце особенно важна, поскольку этот минерал составляет около 20% континентальной земной коры. Авторы исследования полагают, что разработанный метод можно и нужно применять для проверки принципа детального равновесия и для других минералов с использованием различных изотопов.