第四章 水及水中同位素成分
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
3、物理过程引起的同位素分馏 即物质在溶解与结晶,蒸发与浓缩,吸收与解吸等 过程中,所发生的同位素分馏。 如:100℃时,H2O的蒸气压为105Pa, D2O的蒸汽
压为9.5×105Pa蒸发时,显然H2O更容易进入气相。
4、放射性衰变及核反应
1、同位素分馏 某元素的同位素,由于质量差异,使其在物理-化学过 程中,以不同比例分配于不同的物质或不同相之间的现 象,称之为同位素分馏。
原因:质量差引起物理性质和化学反应速度的差异
例如: H2O
蒸发相中富含16 O H2 O 蒸发 18 液相中富含 O 18
34S/32S=0.0450045
S
美国亚理利桑娜州卡杨迪亚布峡谷陨硫 铁 美国南卡罗娜州白垩系皮狄组的美洲似 箭石
δ
34S=0‰
C
PBD
13C/13C=1123.72 ×10-5
δ
13C=0‰
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
指由于同位素原子或分子的质量和能态不同引起的反
应速度(包括化学的、物理的和生物化学的)上的差异。 它是发生于非常平衡系统中,与不可逆过程有关的同位
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素效应。
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应
(3)物理化学同位素效应
Hydrogeochemistry
水文地球化学
第四章 水及水中同位素成分
东华理工大学水文地球化学课程组 LOGO
本章内容
4.1 同位素基础知识
4.2 氢氧稳定同位素 4.3 氢的放射性同位素—氚 4.4 碳同位素 4.5 硫同位素 4.6 同位素在水文地质学中的应用
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C16O2 + H218O
CO
R CO 2
2
C18O2 + H
(18O /16O) CO2
2O
2
16O
2 H 2O
= R H O = (18O /16O) H
co2 H2O =1.0407,说明CO2比与其平衡的水 25℃时, 富含40.7‰的18O,富集程度的求法:
δ(‰)=(αA-B-1)×1000 δ(‰)=(1.0407-1) ×1000=40.7
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
2.动力同位素分馏 (3)分子的扩散作用
VC16O2 = Vc18o16o = Vc16o2/Vc16o18o==1.022
即:C16O2比C16O18O分子的平均速度大22‰,
当气体分子扩散时,就会引起同位素分馏。
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
1、同位素组成
物质中,某元素的各种同位素相对含 量,即为该物质中该元素的同位素组成。 如:水分子中,氢元素有二种稳定同位素: 1 H、 2 H 。 1 1
这二种同位素在水中的相对含量,即 为水的同位素组成。
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 (2)同位素比值 指物质中某一元素的两种同位素含量之比
R=CA/CB
式中, C—同位素含量 A—重同位素
B—轻同位素
例如,RD =D/H R18O =18O/16O R34S =34S/32S 等
4.1同位素基础知识
一、同位素及分类
2、分类
(3)按进入环境的方式
人工施放同位素,专指在研究过程中通过有目的人 为投放而进入环境的部分人工同位素。如测定地下水流 速流向的131I。 环境同位素,包括自然环境中原本存在的天然同位 素和在各种人工核反应过程中,自然进入天然环境的人 工同位素,如:核反应堆。
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 1、同位素交换反应
(2) 影响因素
C、交换溶液的性质:由于有些同位素交换反应是经 过溶解→再沉淀的机理来实现的,因此交换反应受到盐 效应的影响。 例如:钠长石
纯水 KCl 溶液 NaCl溶液
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法 (3)δ值(千分偏差值) 指物质中某一元素的两种同位素的比值相对于某一 种标准比值的千分差值:
δ(‰)=(R样—R标)/R标×1000‰
式中 : R样—样品中的同位素比值 R标—标准中的同位素比值
动力学效应一般比热力学效应大得多。
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 2.动力同位素分馏 (4)动力系统可分为开放系统和封闭系统两种方式 在封闭系统中,动力分馏与反应物的消耗程度 有关,当反应物消耗越少时分馏就越明显。
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18O(水中的δ18O值增大),称为
4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
一般在温度 >80 ℃条件下发生的水岩作用中 “氧漂移” 明显。由于岩石中 H 很少,故水岩 反应一般不会引起氢的漂移。 在地下热水中,常发现δ18O高于大气降水, 而δD值与降水相近。
16
H2 O
18
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0/
16
18 16 O O / O 汽 液
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
2.同位素分馏系数
两种物质(或两种不同相)之间,同位素分馏程度
用两种物质中同位素比值之商表示:
A B
式中: A B —A,B 物质或相中的同位素分馏系数,
若δ(‰)>0,表示样品比标准富含重同位素 δ(‰)<0 ,表示样品比标准富含轻同位素
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
3、国际标准
为了准确的比较不同样品间同位素比值的变化,国
际上采用统一标准。 例 如 : 某 水 样 测 得 1 8 O/16O = 1973.4×10-6 , 水 样 δ18O=-10‰,说明该样品比标准富16O 10‰
一、同位素及分类
2、分类 (1)按同位素产生的条件 天然同位素, 如:3H,14C,18O等 人工同位素, 如:人工3H,60Co,82Br
(2)按结构稳定性
稳定同位素, 如:D , 13C, 放射性同位素, 如:3H,
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12C
14C, 238U
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4.1 同位素基础知识
一、同位素及分类 1、概念 同位素是指周期表中占有同一位置,其原子核
中质子数相同而中子数不同的某一种元素的原子。
如:11H、21H、31H,即具有相的质子数,但具
有不同的质量数的原子。
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4.1 同位素基础知识
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
3、国际标准 表4-1 O、H、S、C国际标准
元素 标准 代 号 同位素的组成
18O/16O=(1993.4 ±2.5)×
O
标准平均海水
SMO W SMO W
CDT
H
标准平均海水
10-6 δ 18O=0‰ D/H=(157.6±0.3)×10-6 δ D=0‰
RA RB
R A , RB —A,B 物质或相中的同位素比值
例如: CO2—H20系统中氧同位素分馏系数 C16O2+H218O
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C18O2+H216O
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应
2.同位素分馏系数
例如:
CO2—H20系统中氧同位素分馏系数
Vc16o2 → Vc16o18o
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应
(1)热力学同位素效应
指由于各种同位素原子和分子能态不同所引起的热力 学性质上的差异。它是发生在热力学平衡系统中,与化 学平衡和相平衡有关的同位素效应。 (2)动力学同位素效应
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4.1同位素基础知识
二、同位素组成及其表示方法和标准
2、同位素组成表示方法
(1)同位素丰度
指在自然界或物质中某一元素的各种同位素在该元素 中的所占的百分比。 如氢在自然界的平均丰度:11H = 99.9844%,
2 1H
= 0.0156%。
238U→206pb,
Th →207pb
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4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
1、氢氧同位素分馏 (1)水-岩同位素交换反应
Si18O2 + H216O
其结果是水中富集18O。
① 氧漂移
Si16O18O + H2O
由于岩石中的δ8O值大,水岩同位素交换的 结果使水富含 氧漂移。
进行氯同位素交换反应,
发现在NaCl溶液中速度最慢,在KCl 溶液中速度最快。
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用
1、同位素交换反应 (2) 影响因素 同离子效应: 一种矿物溶解于水中,若水溶 液有与矿物溶解相同的离子,则这种矿物的溶 解度降低。 盐效应: 矿物在纯水中的溶解度低于矿物在 高含盐量的容液中的的溶解度,这种含盐量升 高使矿物溶解度增大的现象。
如蒸发和凝结,结晶和溶解,吸附和解吸等,是与 同位素分子密度、蒸气压、热学性质、电磁学性质等物 理化学性质上的差异有关的同位素效应。它既可以发生 在平衡系统中,也可以发生在非平衡系统中。
(4)生物化学同位素效应
指有生物参与的各种同位素效应。多数生物化学同 位素效应属于动力学同位素效应。
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 2.动力同位素分馏 由动力同位素效应(反应速度差异效应) 引起的同位素分馏,称之为动力同位素分馏。 一般规律是轻同位素比重同位素反应速度快, 优先富集产物之中。 (1)光合作用:生物优先吸收12C、11O、1H (2)脱硫酸作用: SO42- 脱硫酸作用产生 H232S
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4.2 氢氧稳定同位素
一、 同位素交换效应
② 影响氧漂移的因素
A、温度是影响同位素交换反应的主要因素,一般 温度越高,交换反应的速度就越快,氧漂移的速度就越 明显; B、水及岩石的初始δ18O含量。这两者的初始δ18O 差值越大,氧漂移越明显;
4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 1、同位素交换反应 (1) 定义 不同的化合物之间,不同相之间或不同的分 子之间,只发生同位素的再分配,而不发生化学 变 化 的 反 应 , 称 为 同 位 素 交 换 反 应 : C16O2 + H218O
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C18O2 + H216O
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4.1同位素基础知识
三、同位素分馏与同位素效应 3、同位素的效应 由于某种元素的一种同位素被另一同位素所 替换,从而引起物质在物理、化学性质上出现差 异的现象,称之为同位素效应。 同位素效应是造成同位素分馏的根本原因。
C16O2 → C16O18O
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4.1同位素基础知识
四、主要的同位素分馏作用 (2) 影响因素 A、温度:lnα =A/T2 + B/T + C(反比关系)
B、化学成分:重同位素先富集在化学键最强的 分子中。 石 英→斜长石→辉石→橄榄石
S i –O Al-O Mg-O
18O↓
键强↓
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