碳同位素2
同位素标记法碳的同位素
提出问题：
光能哪里去了？
1845年，德国科学家梅耶根据 能量转化与守恒定律明确指出：植 物进行光合作用时，把光能转换成 化学能储存起来。 提出问题： 光能转换成化学能，贮存于什么物质中呢？ 即植物在吸收水分和二氧化碳、释放氧气的过 程中，还产生了什么物质呢？
atp中活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能2catp2c3ch2oc5多种酶固定还原co2adppiatp暗反应糖类ch光反应阶段暗反应阶段进行部位条件物质变化能量变化联系叶绿体内基粒类囊体薄膜上叶绿体基质中光酶色素多种酶hatp水的光解atp的合成二氧化碳的固定三碳化合物c的还原atp中活跃化学能atp中活跃化学能有机物中稳定化学光反应为暗反应提供还原剂h和供能物质atp暗反应产生的adp和pi为光反应合成atp提供原料光合作用
(2)H218O―→18O2 。
6．光合作用的能量转变为：光能 ―→ATP中活跃的化学能―→有机物中稳定的化学 能。
光 合 速 率 温度 叶龄
光 合 速 率
归纳拓展
光合速率的测定方法
(1)NaHCO3溶液作用：玻璃瓶中的NaHCO3溶液保
证了容器内CO2浓度的恒定，满足了绿色植物光合作用 的需求。 (2)植物光合速率指标：植物光合作用释放氧气， 使容器内气体压强增大，毛细管内的水滴右移。单位
时间内水滴右移的体积即是光合速率。
普利斯特利（英）实验 1771
普利斯特利没有发现光在 植物更新空气中的作用。
结论：绿色植物可以更新空气
2、英格豪斯实验（1779年）
1785年，由于发现了 空气的组成，人们才明 确绿叶在光下放出的气 ①普利斯特利的实验只有在阳光照射 体是氧气，吸收的是二 氧化碳 下才能成功。
稳定碳同位素
稳定碳同位素自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C*和15C*。
主要有三种，它们的丰度是：12C－98.9％；13C－1.08％；14C－1.2×10-10％。
其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。
碳有两种稳定同位素：12C和13C，由于它们的质量不同，在自然界中的物理、化学和生物作用下产生分馏。
一般来说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例如烃、石油中富含12C，-30～-20‰）中；而在无机循环中，重同位素倾向于富集在无机盐（例如碳酸盐富含13C，海相灰岩约0‰）中。
碳同位素分馏包括动力学分馏（如光合作用、有机物的生物降解等）和平衡分馏（如大气CO2－溶解的HCO3-－固体CaCO3系统）。
(1) 光合作用中的碳同位素动力分馏（6CO2+6H2O→C6H12O6+O2）：由于轻同位素分子的化学键比重同位素分子的化学键易于破坏，因而光合作用的结果使有机体相对富集轻同位素（12C），而残留CO2中则相对富集重同位素（13C）。
叶子表面对两种二氧化碳（12CO2、13CO2）同位素分子吸收速度上的差异是造成这一分馏的主要原因。
光合作用中碳同位素分馏程度与光合碳循环途径密切相关。
根据CO2被固定的最初产物的不同，光合碳循环可分为C3、C4和CAM三种方式。
C3循环长，分馏大，δ13C=-23‰~-38‰；C4循环为短循环，分馏小，δ13C=- 12‰~-14‰；CAM循环介于C3与C4间，其13C的亏损程度也介于C3与C4植物间。
（2）生物氧化－还原作用过程中的碳同位素分馏：一方面，微生物通过氧化还原反应获取能量，加速氧化还原反应的进行。
另一方面，微生物在参与反应的过程中，对于同位素的利用具有选择性，优先选择利用化学能较弱的轻同位素化学键，使得轻同位素较重同位素更易被微生物所利用，进而产生显著的同位素分馏。
大气CO2－溶解的HCO3-－固体CaCO3系统中的化学交换平衡反应：同位素平衡分馏只与温度有关，碳同位素分馏的结果是使固体碳酸盐中富集重同位素13C 从大气中的CO2到生物圈中有机碳化合物再到生物燃料和生物成因的甲烷，其碳同位素呈现出递减趋势，总体变化规律是氧化态的碳富集13C，还原态的碳富集12C。
碳的放射性同位素
碳的放射性同位素
碳的放射性同位素是指通过各种方式射出的具有放射性特性的碳同位素。
它是一种有用的放射性物质，可用于开展许多科学研究。
它也可以用来检测环境中污染物的浓度。
碳的放射性同位素可以从环境中发现，它们主要来源于太阳能射出的自然γ射线和核反应。
有时，它们也来源于可能发生的核反应，以及人为制造的核爆炸。
碳的放射性同位素由化学元素的变体组成，也就是其他常见元素的氘核或氙核组成，其同位素的半衰期范围可达千分之一秒至数百万年。
碳的放射性同位素可以帮助研究人员检测和测定污染物的量，更重要的是它可以应用于地下水、土壤和肥料中污染物的检测。
碳的放射性同位素可以测量准确的污染物的质量，可有效识别和定位污染物的源头，从而更好地控制污染物的活动。
在铀等危险有毒矿物的检测中，碳的放射性同位素也可以发挥作用。
可以测量核辐射是否泄漏至环境中，用于识别危险物质的分布情况，确定核辐射污染物的轨迹。
对于生物研究，碳的放射性同位素也很重要。
它可以用于追踪各种体外生物材料的运动特征，以及内部机体的结构和活动机制的研究，提供生物药物的研发和检测，以及有关基因和遗传调控机制的研究。
从以上可以看出，碳的放射性同位素是一种有用的放射物质，可以被广泛应用于工业生产和科学研究中，为人类提供了重要的作用。
c2化学名称
c2化学名称摘要：1.引言2.C2 化学名称的含义3.C2 的化学性质4.C2 的实际应用5.结论正文：【引言】C2，即碳的第二个同位素，是一种碳原子核中含有两个中子的同位素。
在化学领域，C2 有着广泛的应用，特别是在核物理和放射性研究中。
本文将从C2 的化学名称、化学性质和实际应用等方面进行介绍。
【C2 化学名称的含义】C2 化学名称中的“C”代表碳元素，而“2”则表示该同位素的原子核中含有两个中子。
在元素周期表中，C2 的原子序数为6，质量数为12。
因此，C2 的化学名称为碳-12（^12C）。
【C2 的化学性质】C2，即碳-12，具有稳定的化学性质。
由于其原子核中的中子数量为2，与质子数量相等，这使得C2 具有稳定的原子结构。
在常温常压下，C2 以气态存在，呈无色、无味、无毒的性质。
C2 的化学性质与普通碳（C）相似，但在核物理和放射性研究中，C2 具有特殊的应用价值。
【C2 的实际应用】C2，即碳-12，在许多领域都有实际应用，尤其是在核物理和放射性研究中。
以下是C2 的一些主要应用领域：1.核物理研究：C2 被广泛用于核物理实验中，作为示踪原子。
由于C2 具有稳定的化学性质和较长的半衰期，它成为研究核反应和放射性衰变机制的理想示踪剂。
2.放射性药物：C2 在医学领域也有广泛应用，特别是在放射性药物治疗中。
例如，C2 可用于生产放射性药物如碳-12 标记的氨基酸、核苷酸等，这些药物在诊断和治疗癌症等疾病方面具有重要价值。
3.考古学和环境科学：C2 在考古学和环境科学领域也有应用。
通过检测文物中的C2 含量，可以推测文物的年代和来源；在环境科学中，C2 可用于研究碳循环过程和温室气体排放等。
4.工业领域：C2 在工业生产中也有一定的应用，如在石油化工、化学制品生产等方面的质量控制和分析。
【结论】C2，即碳-12，是一种具有稳定化学性质的重要同位素。
在核物理、放射性研究、医学、考古学、环境科学和工业等领域都有广泛的应用。
同位素例子
同位素例子同位素是一种原子中具有相同数量的质子和中子，但质子数量和中子数量不同的类型。
它们是原子的一个基本特性，被用来标识具有不同特性的原子。
本文尝试在不同的同位素例子中探讨原子的结构和特性。
每一种元素有不同的同位素，具有不同的质子数和中子数。
碳的4种同位素是碳-12、碳-13、碳-14和碳-15。
碳-12是碳的原子核的基本结构，它的原子核由6个质子和6个中子组成。
它的原子量为12，可以被认为是最常见和最稳定的同位素。
它是自然界中最常见的元素，占据整个大气中99.98％的量。
碳-13是碳-12的稳定同位素，原子核中有7个质子和6个中子，它的原子量为13。
尽管碳-13的质子数量比碳-12多一个，但由于它们的原子质量是不同的，它们仍可被称为稳定同位素。
碳-13的含量比碳-12低，但仍占大气中碳的0.01％，大多数情况下，它是碳的放射性同位素。
碳-14和碳-15也是碳的稳定同位素，都有6个质子和8个中子，但碳-14的原子量为14，碳-15的原子量为15。
由于高质子数，碳-14和碳-15是自然界中最不稳定的同位素，但其含量又比碳-13要高。
尽管它们是放射性同位素，但其辐射后存活时间较长，这就导致了它们在自然界中的存在。
此外，研究人员发现了许多其他的同位素，他们的结构和特性也有所不同。
在氟，氯，氧和氮这四种元素中，都可以发现多种同位素，这些同位素的原子核结构都不同，由此可以推断出它们对应的特性也是不同的。
例如，氟-18和氟-17是两种稳定同位素，它们的原子核由9个质子和10个中子组成，但前者质量比后者大2倍，它们的物质性质也不尽相同。
另外，氯-35也是稳定同位素，其原子核由17个质子和18个中子组成，其中氯-35与氯-37是放射性同位素，它们的原子核由17个质子和20个中子组成。
由于质子数量不同，氯-35和氯-37的特性也不尽相同，例如，氯-37的辐射更加强烈。
以上就是不同的同位素的例子，它们都有着不同的原子核结构，这就决定了它们的原子量，以及它们的物质性质，甚至放射性质质不同。
碳同位素地球化学
理论分馏系数： 1. CO2-CH4间13C 富集于CO2相内， 随温度降低分馏系 数快速增大。 方解石-石墨和金刚 石-石墨分馏系数依 次减小，温度效应 减弱。 CO2-方解石和CO2金刚石在低温区分 馏出现反向富集 方解石- CO
(溶液)
13
13
(气)
CO 2 ＋( CO3 )
(溶液)
12
2
12
( 气)
CO 2 ＋( CO3 )
(溶液)
13
2
反应(1) α=1.014 反应(2) α=1.012
(25℃)
海水CO3-2和HCO3-比大气CO2富集13C
海相碳酸盐岩石δ13C为 -6.39～5.2‰ 平均为 -1.16‰ 陆地土壤中有机物产生的CO2富含12C贫13C. 淡水碳酸盐富集δ13C和δ18O, δ13C为 -18.5～8.5‰
（2）地幔碳同位素组成变化的原因：
东西伯利亚雅库梯矿床中彩色金刚石的δ13C值为 -5.0-32.3‰ 。平均 δ13C 值为 -11.8‰ ，比无色金刚 石的平均δ13C（-7.2）小，它与生物成因的碳同位 素组成重叠。
金刚石 δ13C 值的较大可变性与米切尔和克罗克 特（ 1971 ）的假说相一致，他们认为自然界金刚 石可能在比它的稳定域更浅的深度与更低的温度 下亚稳地形成(为什么)。
煤平均δ13C值约为-25‰ 海相石油δ13C值为-22～-29.4‰ 陆相石油δ13C值为-29.7～-32.8‰ 甲烷更富集12C 天然气δ13C值更负 变化范围更大
2. CO2与HCO-3和CO3-2 的 碳同位素分馏
碳同位素组成特征及其在地质中的应用
同位素地球化学目录一、碳的同位素组成及其特征 (1)1.碳同位素组成 (1)Ⅰ、碳的同位素丰度 (1)Ⅱ、碳的同位素比值（R） (1)Ⅲ、δ值 (2)2.碳同位素组成的特征 (2)Ⅰ.交换平衡分馏 (2)Ⅱ.动力分馏 (3)Ⅲ.地质体中碳同位素组成特征 (4)二、碳同位素在地质科学研究中的应用 (8)1. 碳同位素地温计 (8)2．有机矿产的分类对比及其性质的确定 (9)Ⅰ.煤 (9)Ⅱ.石油 (9)Ⅲ. 天然气 (11)碳同位素组成特征及其在地质科研中的应用一、碳的同位素组成及其特征1.碳同位素组成碳在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，在地质历史中有着重要作用。
碳的原子序数为6 ，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。
碳在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。
在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分馏。
碳既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现。
它既广泛分馏布于地球表面的各层圈中，也能在地壳甚至地幔中存在。
总之，碳可呈多种形式存在于自然界中。
在有机物质和煤、石油中，以还原碳的形式存在，在二氧化碳气体和水溶液中，以氧化碳形式出现。
碳还可呈自然元素形式出现在某些岩石中（如金刚石和石墨）。
一般用同位素丰度、同位素比值和δ值来表示同位素的组成。
Ⅰ、碳的同位素丰度同位素丰度指同位素原子在元素总原子数中所占的百分比，自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。
习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。
由此可见，在自然界中碳原子主要主要是以12C的形式存在。
另外碳还有一个放射性同位素14C，半衰期为5730a。
放射性14C的研究，目前已发展成为一种独立的同位素地质年代学测定方法，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。
适合用于作碳稳定同位素分馏析的样品包括：石墨、金刚石等自然碳矿物，方解石、文石、白云石、菱铁矿、菱锰矿等碳酸盐矿物；石灰岩、白云岩、大理岩等全岩样品；各种矿物包裹体中的C O2和CH4气体以及石油、天然气及有机物质中的含碳组分馏等。
04 第四章(碳同位素)
碳是一种变价元素，在不同的条件下 可形成不同价态的化合物，它们之间存 在着明显的同位素分馏。
图1 生物圈与其它圈层间的相互 关系——有机碳循环与碳酸盐循
环（据S.Golubic等,1978)
• Carbon 14 is formed when cosmic radiation in the upper atmosphere excites a neutron, causing the neutron to impact a Nitrogen 14 atom and dislodges a proton forming carbon 14.
该系统中的碳同位素分馏可分为三个阶段。
第一阶段：大气CO2溶解阶段。研究表明，在20℃时，大气CO2的溶 解作用是在无明显分馏的情况下进行的，与大气CO2相比，溶解的 CO2大约贫乏1‰的13C。即：
7 （-8）＝1‰ 13CCO2(大气)
13CCO2 ( 水中)
第二阶段：溶解的CO2和重碳酸 盐分馏阶段。在这一阶段，重碳
碳同位素及其丰度
自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C*和15C*。主要 有三种，它们的丰度是：12C－98.89％；13C－1.108％；14C－ 1.2×10-10％。其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。
13C是稳定同位素，用δ值表示，按δ值的定义：
13C
(
R样－R标 R标
)
1000＝（
R样 R标
-1）1000
稳定碳同位素的国际标准为PDB。
The isotopes of H, O, C and S are ubiquitous in natural ground water and are useful in studying biogeochemical processes.
碳的同位素的用途性质
碳的同位素的用途性质碳是一种非常常见的元素，它在自然界中非常广泛地存在，并且具有多种同位素。
同位素是指具有相同原子序数（即原子核中的质子数）但质量数不同的原子。
碳的同位素有多种不同的质量数，其中最常见的是碳-12、碳-13和碳-14。
首先，碳的同位素具有不同的性质，这使得它们有着广泛的应用。
其中最常见的应用是在地质学和化学中的放射性碳dating技术。
碳-14是一种放射性同位素，它的半衰期约为5730年。
因此，通过测量一种物质中碳-14和碳-12的比例，可以确定物质的年龄。
这种技术被广泛应用于考古学和地质学中，用于确定物质的年代。
此外，碳的同位素对于研究生物化学过程也非常重要。
在生物体内，碳-12和碳-13的比例可以用于研究动植物的食物链关系和生态系统的结构。
由于碳-12和碳-13具有不同的质量，它们在生物过程中有着不同的生化反应速率。
通过测量不同生物体中碳-12和碳-13的比例，可以了解其所处的食物链位置和生态角色。
在化学工业中，碳的同位素也有广泛的应用。
例如，碳-13可以用于核磁共振（NMR）技术中，这是一种研究分子结构的重要工具。
通过将标记有碳-13的化合物注入到样品中，并观察其在NMR光谱中的信号，可以确定其结构和相互作用方式。
这种技术被广泛应用于有机化学和药物研发中，有助于研究化合物的结构和性质。
另外，碳的同位素也可以用于追踪环境中的污染物。
例如，碳-13的同位素比例可以用于追踪大气中的二氧化碳排放源。
不同来源的二氧化碳具有不同的碳-13含量，通过测量大气中的碳-13比例，可以确定不同来源的贡献程度。
这种技术对于研究气候变化和环境污染有着重要的意义。
此外，碳的同位素还可以用于医学影像学中的正电子发射断层显像（PET）技术。
在PET扫描中，通过将标记有碳-11或碳-14的放射性同位素注射到人体内，可以观察到活跃的细胞和器官。
这种技术对于诊断和治疗癌症、心脏病等疾病具有重要的价值。
总结来说，碳的同位素具有广泛的用途和性质。
c12相对原子质量
c12相对原子质量
（实用版）
目录
1.碳的同位素
2.碳 -12 的原子结构
3.碳 -12 的相对原子质量
4.碳 -12 在科学研究中的应用
正文
1.碳的同位素
碳是一种化学元素，它的原子核中含有 6 个质子。
在自然界中，碳存在多种同位素，即原子核中中子数不同的碳。
这些同位素包括碳 -12（C-12）、碳 -13（C-13）和碳 -14（C-14）等。
同位素的存在使得碳的相对原子质量不再是一个固定值，而是一个范围。
2.碳 -12 的原子结构
碳 -12 是碳的一种稳定同位素，其原子核中含有 6 个质子和 6 个中子。
由于质子带正电荷，中子不带电荷，碳 -12 的原子核整体呈电中性。
在化学反应中，碳 -12 的原子核不会发生变化，因此它是一种非常稳定的同位素。
3.碳 -12 的相对原子质量
碳 -12 的相对原子质量是指其原子质量与质子质量的比值，通常取为 12。
这是因为在自然界中，碳 -12 同位素的丰度最高，其他碳同位素的丰度相对较低。
因此，在计算碳的平均原子质量时，通常以碳 -12 为基准。
4.碳 -12 在科学研究中的应用
碳 -12 作为一种重要的同位素，在科学研究中有着广泛的应用。
例如，在放射性碳定年法中，碳 -14 同位素被用来测定有机物的年龄。
由于碳 -14 的半衰期较长，可以用来研究地质年代、古代文明等方面的问题。
此外，在生物学、化学和环境科学等领域，碳同位素的研究也具有重要意义。
总之，碳 -12 作为碳的一种稳定同位素，具有重要的科学应用价值。
碳同位素测年法
碳同位素测年法
碳同位素测年法分为常规碳—14测年法和加速器质谱碳—14测年
法两种。
当时，Libby发明的就是常规碳—14测年法，1950年以来，这种方法的技术与应用在全球有了显著进展，但它的局限性也很明显，即必须使用大量的样品和较长的测量时间。
于是，加速器质谱碳—14测年技术发展起来了。
1、C14鉴定法是用碳同位素来鉴定古物的年份；
2、碳14是碳元素的一种具放射性的同位素，其是透过宇宙射线撞击空气中的氮原子所产生；
3、碳14是自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C 和放射性同位素14C。
炭十四测年法可以精确到0 –6000 +/- 40 BP。
零BP（迄今）规定为公元1950年，以及（五）全球放射性碳含量不变的假设。
碳14的衰变需要几千年，正是大自然的这种神奇，形成了放射性碳定年的基本原理，使碳14分析成为揭示过去的有力工具。
在放射性碳定年过程中，首先分析样品中遗留的碳14。
被分析的样品的碳14比例可以说明自样品源死亡后流逝的时间。
报告的放射性碳定年结果是未校准年BP（迄今），其中BP是指公元1950年。
接着进行校准，将BP年转换为历年。
随后将该信息与准确的历史年龄联系起来。
碳同位素与矿物成因
碳同位素与矿物成因有统计，可用的碳资源对人类的重要性已经不言而喻，这些资源在环境和社会发展中起着至关重要的作用。
因此，研究碳资源的成因及其所蕴含的潜力，可以帮助充分利用这些资源，更好地促进人类和自然界的发展。
碳同位素是地球表面丰富的碳资源中比较重要的一种，它可以帮助我们了解地球内部结构，从而更好地利用碳资源。
碳同位素不仅可以让我们更好地了解地球内部的构造，而且也可以帮助我们了解深部的碳资源的成因和分布特征，从而更有效地利用这些资源。
碳同位素的成因大体可以分为两大类：一类是因表面外部因素（如气温、风力、云量等）而形成的，这一类的碳源主要来源于地表和空气；另一类是由于地表内部因素（如火山爆发、海底火山、活动岩石等）而形成的，这一类的碳源来源于地壳和海水。
矿物成因与碳同位素关系密切，它们之间存在着密切的因果关系。
矿物有从熔融态（岩浆）中形成、从变质岩中形成和从沉积中形成等三种成因，碳同位素成因可以用来帮助我们更好地了解这些三种成因的差异。
其中，熔融态（岩浆）形成的碳同位素主要来源于地壳层中的岩石，而变质岩和沉积岩形成的碳同位素则来源于地表层以及地下水层中的岩石。
总体而言，碳同位素与矿物成因之间的关系非常紧密，研究碳同位素可以使我们更好地了解矿物的成因，并有效地利用碳资源。
鉴于碳资源的重要性，未来的研究将会更多地关注碳同位素与矿物成因之间的关系，因为这样可以帮助我们更有效地利用碳资源，更好地促进人类和自然界的发展。
综上所述，碳同位素与矿物成因之间的关系是非常紧密的。
研究这一关系可以帮助我们更好地利用碳资源，从而促进人类和自然界的发展。
只有通过对碳同位素与矿物成因之间关系的详细研究，我们才能更好地利用碳资源，实现环境和社会的可持续发展。
碳同位素2
可以看出，这些矿床的总碳同位素组成都落在 岩浆碳的范围内。这和氢、氧同位素研究得出 的这些矿床的成矿溶液以岩浆水为主的结论是 一致的。 此外，据穆治国等 (1981)研究，漂塘钨矿床中 层解石的δ13C值都低于-5.5‰，方解石的δ13C 值都高于-5.5‰。两者的成分都是碳酸钙，但 由于层解石的形成温度高，因而在温度较低条 件下形成的方解石便相对富集13C。
(2) 热液氧逸度的降低 Pine Point矿床在 整个成矿过中，热液的总碳同位索组成 是稳定的。但由于晚期热液氧逸度降低， 因而热液中甲烷的数量增加，12C富集在 甲烷中， CO2则富集13C，从而导致晚期 形成的碳酸盐矿物具有较高的正δ13C。
(3) 其 他 源 区 中 富 13C 的 碳 的 加 入 Bluebell ， Sunnyside ， Darwin ， Casapalca等矿床，有的赋存在石灰岩中， 有的赋存在有石灰岩出露的区域内。在 这些矿床中，成矿作用晚潮均有大气降 水参与。这种水在富13C的石灰岩中对流 循环时，将石灰岩中的13C带入成矿溶液， 这使热液的总碳同位素组成发生变化， 导致晚期碳酸盐矿物相对富集13C。
H. Ohmoto(1972)在这方面作了详细的研 究，他的结论是：热液碳酸盐矿物的碳 同位素组成取决于热液的总碳同位素组 成以及矿物沉淀时热液的温度、氧逸度、 酸碱度和阳离子浓度的变化特征。
氧逸度主要影响热液中合碳组分的氧化-还 原状态。 在高氧逸度情况下，热液中大多数碳以氧化 碳形式出现，CH4(水溶)可以忽略不计。在这 种高氧逸度条件下形成的碳酸盐矿物的δ13C 值与热液的总碳同位素组成相似。 当热液氧逸度降低时，CH4 (水溶)的数量迅 速增加。由于CH4 强烈富集 12C，因而所形成 的碳酸盐矿物便明显富集 13C，δ13C值可高达 29‰。
碳的同位素
碳的同位素
自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。
同位素的概念
同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子质量或质量数不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。
同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数，例如碳14，一般用14C而不用C14。
04_第四章(碳同位素)解析
Carbon 12C, 99.89; 13C,1.11;14C* , ~10-10
2 碳同位素分馏
碳有三种主要同位素：12C、13C和14C，由于它们的质量不同，
在自然界中的物理、化学和生物作用下产生分馏。
一般地说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例
如烃、石油中富含12C）中；而在无机循环中，重同位素倾向于
第四章 稳定碳同位素
Outline
碳同位素概述 碳同位素分馏
自然界中稳定碳同位素分布特征
稳定碳同位素应用简介
碳元素在地球上广泛分布于地壳、地慢、水圈以及大气圈中。此外，碳 更是地球上生命赖以存在的基础，有机体中碳含量很高，是生物圈中最 重要的元素之一。氧化形式的碳包括CO2、CO，H2CO3，HCO3-以及碳 酸盐矿物。还原形式的碳，主要存在于有机物和化石燃料中。此外，它 还以石墨和金刚石等自然元素形式存在。
(2) 生物或细菌氧化－还原作用过程中的碳同位素分馏
生物或者细菌的作用对碳同位素分馏的影响较大。湖泊、沼泽及滨海
底部淤泥中厌氧菌还原有机物而生成的CH4的δ13C值很低。据
Rosenfielcl等（1959）的资料，当原始有机物的δ13C为-25‰，温度低 于100℃时，细菌还原产生的CH4的δ13C值为-60‰～-80‰，分馏值ε可
13C= -13 to -28‰
2
2
Photosynthesis
光合作用中碳同位素的分馏模型
－－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961）
第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的 12CO ，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大 2 气中CO2的浓度。 第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12CO2的CO2，先把它转 化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。 在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部 或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶 段的分馏就越大。 根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差 别以及植物中的13C的变化。
一氧化碳里碳同位素
一氧化碳里碳同位素一氧化碳（CO）是一种由碳和氧元素组成的化合物，它在自然界中广泛存在，并且对我们的生活产生了重要影响。
特别是在碳同位素的研究中，一氧化碳提供了宝贵的信息，揭示了许多关于地质学、化学和生物学的重要知识。
让我们来了解一下碳同位素的概念。
碳同位素是指具有不同质量数的碳原子，其核外电子结构相同。
其中最常见的是碳的两种同位素，即碳-12和碳-13。
在自然界中，碳-12的丰度远远高于碳-13，占据了大约98.9%的比例，而碳-13只占约 1.1%。
这种同位素比例的差异是由于自然界中的生物过程和地球化学过程所致。
随着科学技术的发展，人们开始利用碳同位素来研究各种自然现象。
其中，一氧化碳的碳同位素成分是一个重要的研究对象。
一氧化碳的来源非常广泛，包括自然界的火山喷发、森林火灾、生物代谢过程以及人类活动中的燃烧过程等。
不同来源的一氧化碳具有不同的碳同位素成分，通过测量样品中的碳同位素比值，可以确定这些一氧化碳的来源和形成机制。
通过对一氧化碳的碳同位素进行研究，科学家们可以追踪气候变化、环境污染以及生物地球化学循环等过程。
例如，在研究气候变化方面，科学家可以通过分析大气中一氧化碳的碳同位素组成，了解不同地区的温度变化和降水情况。
此外，一氧化碳的碳同位素还可以用于研究大气污染物的来源和传输途径，以及生物地球化学循环中碳的转化过程。
除了在环境科学领域的应用，一氧化碳的碳同位素也被广泛用于生物学和地质学的研究中。
例如，在生物学研究中，科学家可以通过分析生物体组织中一氧化碳的碳同位素组成，了解生物进食链的结构和功能。
在地质学研究中，一氧化碳的碳同位素可以揭示地下水来源和流动路径，以及地下油气的生成和迁移过程。
一氧化碳的碳同位素对于了解自然界的各种过程起着重要的作用。
通过对一氧化碳的碳同位素进行分析，科学家们可以揭示环境变化、生物进食链、地下水和油气等方面的重要信息。
这些研究不仅有助于我们更好地了解地球的演化和生命的起源，还为环境保护和资源利用提供了科学依据。
双碳同位素
双碳同位素双碳同位素指的是同种元素碳的两个同位素，也称为C13-C12双碳同位素，它们的质量数分别为13和12。
这两种同位素在自然界中存在的比例很小，但是它们的存在对于科学研究有着重要的作用。
本文将从双碳同位素的定义、应用和测量方法等多个方面进行阐述。
一、双碳同位素的定义同位素是指在元素化学性质和原子序数相同的情况下，质量数不同的原子。
同位素的存在能够对化学反应、地质环境等方面产生影响。
其中，C13和C12是碳同位素存在的两种形式，它们的质量数分别为13和12。
而双碳同位素就是指同时包含C13和C12的化合物或物质。
二、双碳同位素的应用1. 生物学方面在生物学研究中，利用双碳同位素的方法可以追踪生物体内的代谢物流。
比如，通过双碳同位素示踪技术可以追踪葡萄糖在体内的代谢路径。
之前的研究发现，葡萄糖代谢所产生的乳酸对肿瘤生长起到了非常重要的作用。
而通过追踪葡萄糖代谢产物的双碳同位素，可以更加深入地研究和理解这一过程。
2. 地质学方面地质领域也利用双碳同位素的技术进行研究。
例如，通过双碳同位素的测量，可以了解生物碳在化石形成过程中的改变情况，进而研究生态系统的演化和过程。
此外，研究古代大气CO2浓度变化、生物群落结构等也可以通过双碳同位素的分析方法展开。
3. 食品安全方面双碳同位素分析技术在食品安全领域应用也非常广泛。
例如，可以考察农产品中添加的食品添加剂、检测水果、蔬菜中的农药残留等。
此外，在检测动物肉制品中的有害物质，如激素、抗生素和脂肪等，也可以利用双碳同位素的方法进行测量。
三、双碳同位素的测量方法双碳同位素的测量方法主要有质谱法和激光吸收光谱法两种。
质谱法是指通过质谱仪测量样品中C13和C12的相对含量来获得双碳同位素比值的方法。
利用质谱法进行双碳同位素测量的过程中，需要对样品进行常规预处理、加标处理等步骤，且需要精确控制实验环境温度、压力等因素。
激光吸收光谱法则是草地生态学中另一种较为常用的技术，利用CO2分子在其自身吸收光谱样品中的吸收特性和双碳同位素比值之间的关系用来获得测量值。
奥克立林碳同位素
奥克立林碳同位素奥克立林碳同位素（Carbon Isotopes in Oaklins）引言：奥克立林碳同位素，是指在奥克立林中所含的碳元素的同位素。
碳元素的同位素主要有碳12（12C）和碳13（13C），其中碳12的丰度更高，约占98.9%，而碳13的丰度较低，仅约占1.1%。
奥克立林碳同位素的研究对于了解地球生态系统的碳循环、气候变化以及生物地球化学过程具有重要意义。
一、奥克立林碳同位素的来源1. 大气CO2：奥克立林的碳同位素组成主要受大气CO2的影响。
在大气中，12CO2和13CO2的比例是固定的，所以植物吸收到的CO2也具有相应的同位素比例。
2. 土壤：土壤中的碳同位素组成受到植物残体的影响。
不同植物的残体在分解过程中会释放出不同比例的13C，进而影响土壤的碳同位素组成。
3. 水分：水分中的碳同位素组成也会影响奥克立林的碳同位素组成。
植物吸收到的水分中的碳同位素组成会直接反映在植物体内。
1. 生态系统碳循环研究：通过分析奥克立林中不同植物组织的碳同位素组成，可以了解不同植物对CO2的吸收利用能力，进而揭示生态系统的碳循环过程。
2. 气候变化研究：奥克立林碳同位素对气候变化具有响应性。
通过分析奥克立林中的碳同位素组成，可以重建过去几百年甚至几千年的气候变化情况，为研究气候变化提供重要依据。
3. 土壤侵蚀研究：奥克立林碳同位素的分析还可以用于研究土壤侵蚀的程度和速率。
不同侵蚀程度的土壤中的碳同位素组成会有所不同，通过分析奥克立林中不同土层的碳同位素组成，可以了解土壤侵蚀的情况。
三、奥克立林碳同位素的分析方法1. 稳定同位素质谱仪：稳定同位素质谱仪是目前常用的奥克立林碳同位素分析方法之一。
通过测量样品中碳同位素的丰度，可以计算出奥克立林中不同物质的碳同位素组成。
2. 碳同位素比值法：碳同位素比值法是通过测量样品中碳12和碳13的比值来分析奥克立林中的碳同位素组成。
这种方法简便易行，可以应用于大规模样品的分析。
用同位素标记的碳在核磁碳谱中的变化_概述及解释说明
用同位素标记的碳在核磁碳谱中的变化概述及解释说明1. 引言1.1 概述本文旨在探讨同位素标记的碳在核磁碳谱中的变化，并对其进行解释和说明。
同位素标记是一种将特定的同位素（通常为稳定同位素）引入分子中的方法，以便对其进行追踪和研究。
核磁碳谱作为一种重要的分析工具，在有机化学、生物化学等领域得到了广泛应用。
通过对同位素标记的碳样品进行核磁共振测量，我们可以观察到一系列与化学位移、耦合常数以及峰强度相关的变化规律。
1.2 文章结构本文主要包括以下几个部分。
首先，我们将简要概述同位素标记的碳原理及其实验应用领域。
接着，我们会介绍核磁碳谱基本原理，包括核磁共振现象解释、仪器和测量方法以及谱图解析与解释技术。
然后，我们会详细讨论同位素标记的碳在核磁碳谱中呈现的变化规律，包括化学位移、耦合常数和峰强度三方面的变化。
最后，我们将总结文章的主要观察结果和分析结论，并展望和探讨同位素标记在核磁碳谱中应用的前景。
1.3 目的本文旨在增进对同位素标记的碳在核磁碳谱中变化规律的理解，并为读者提供关于该领域的详细信息和解释说明。
通过阐述相关概念、原理和实验结果，我们希望能够引发学术界对这一领域更深入的研究和探索，进一步推动核磁共振技术在有机化学、生物化学等领域的应用与发展。
同时，对同位素标记在核磁碳谱中应用的前景进行展望，也是本文的重要目标之一。
2. 同位素标记的碳2.1 碳同位素标记的原理碳同位素标记是一种实验方法，通过将特定类型的碳原子替换为其同位素来标记化合物中的碳原子。
最常见的碳同位素是^13C，它具有6个质子和7个中子，相较于普通的^12C（6个质子和6个中子）而言多一个中子。
这种标记方法实际上改变了分子内部结构，但并不影响化学性质。
2.2 碳同位素标记实验的应用领域碳同位素标记在许多科学领域中得到广泛应用。
在生物医学研究中，它常被用于跟踪化合物在生物体内的代谢过程。
在药物开发方面，可以利用碳同位素标记来追踪药物在体内吸收、分布、代谢和排泄的路径。
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2、 热液中碳同位素组成的 、 变化
碳是变价元素，电价的改变对于 13C是富集 还是贫化影响极大。因此在热液矿床中，碳酸 盐矿物的碳同位素组成不仅取决于热液的总碳 同位素组成，而且也强烈依赖于热液的物理化学参数，如氧逸度、酸碱度、温度、碳总浓 度的变化。由于这些参数的变化，即使热液体 系中碳的来源均一，从热液中沉淀的碳酸盐矿 物的碳同位素组成也会发生明显的变化。
（1）温度降低 温度降低使热液中CO2 的溶解度升高。含碳组分之间的同位素 交换，使CO2富集 13C，导致晚期形成的 碳酸盐矿物碳同位素组成的δ13C值升高。 但研究表明，温度下降100℃仅能使碳酸 盐矿物的δ13C值增加2‰。因此在该矿床 中，热液与渐冷的围岩中的碳酸盐矿物 之间同位素分馏的增强可能是晚期碳酸 盐矿物δ13C值增加的一个重要原因。
三、碳同位素地质测温
与硫、氧同位素相比，碳同位素地质测温 的适应性和效果都较差。 据 G. C. Ferrara 等 (1963) 研 究 ， 在 意 大 利 Tuscany的Larderello喷气孔中，19个样品的碳 同 位 素 测 定 结 果 为 ： δ13CCO2= -3.74‰ ， δ13CCH4= -26.74‰，∆CO2-CH4=23.00‰。 根据图6-8Craig曲线查得平衡温度为258℃，该 值与H. Craig(1953)报道的黄石公园喷泉与温 泉 的 温 度 值 以 及 J. R. Hulston 和 W. J. McCabe(1962)报道的新西兰北岛地热区的温度 值相似，因而上述计算结果是比较合理的。
H. Ohmoto(1972)在这方面作了详细的研 究，他的结论是：热液碳酸盐矿物的碳 同位素组成取决于热液的总碳同位素组 成以及矿物沉淀时热液的温度、氧逸度、 酸碱度和阳离子浓度的变化特征。
氧逸度主要影响热液中合碳组分的氧化-还 原状态。 在高氧逸度情况下，热液中大多数碳以氧化 碳形式出现，CH4(水溶)可以忽略不计。在这 种高氧逸度条件下形成的碳酸盐矿物的δ13C 值与热液的总碳同位素组成相似。 当热液氧逸度降低时，CH4 (水溶)的数量迅 速增加。由于CH4 强烈富集 12C，因而所形成 的碳酸盐矿物便明显富集 13C，δ13C值可高达 29‰。
第三节 碳同位素在矿床学中的应用
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一、碳同位素组成
碳有两种稳定同位素，其习惯用的丰度 值为： 12C 98.893% 13C 1.107% 表示碳同位素成分的方法有三种: 12C/13C的比值;或13C/12C比值、或δ13 C(‰)
碳同位素分布
1、 地壳中气体的碳同位素成分 、
根据对天然气、火山喷气、煤田气以及沉 积物所含气体的研究，可将地壳气体划分 如下: (1) 生物化学带：这个带CO2=CH4 反应 是有机的，δ13C= -50—-80‰，是生物分馏 作用引起的。 ·
在排除了脱碳酸盐化和地下水循环引起 的可能性之后，根据同位素资料与地质 资料的综合研究，他们认为在铁矿层中， 13C富集的原因是铁矿层的沉积环境，即 铁矿层形成于一个离海洋很近但又是封 闭的、不受海洋碳同位素组成影响的盆 地中。
铁矿层中轻碳主要来自由风化作用而被带入 沉积盆地的有机物。因为在与铁矿层伴生的 燧石中，已发现有微生物(藻类)存在的证据； 铁矿层中已发现有同位素组成与有机物相似 的还原碳，整个铁矿层都含有少量黄铁矿， 一般认为它是在有机物存在的情况下形成的。 由于火山气体的δ13C值一般为-8一-12‰，因 而在铁矿层形成过程中，火山作用也可能提 供一部分轻碳。
由于这些矿床都不含石墨，因而这些矿 床中方解石的平均δ13C值可近似作为矿 床的δ13C值。由此可知，矿床的δ13CΣC值 既不同于岩浆碳的值的δ13C值(-5一-8‰)， 也不同于海相碳酸盐碳的δ13C值（近于 零），它们很可能是岩浆碳和碳酸盐碳 按不同比例混合的产物。
3、沉积矿床的碳同位素组成 、
可以看出，这些矿床的总碳同位素组成都落在 岩浆碳的范围内。这和氢、氧同位素研究得出 的这些矿床的成矿溶液以岩浆水为主的结论是 一致的。 此外，据穆治国等 (1981)研究，漂塘钨矿床中 层解石的δ13C值都低于-5.5‰，方解石的δ13C 值都高于-5.5‰。两者的成分都是碳酸钙，但 由于层解石的形成温度高，因而在温度较低条 件下形成的方解石便相对富集13C。
(2) 催化带：在这个带中，有机碳变为 甲烷。 (3) 热化学带：这个带中，CO2 ＝CH4 反应是无机的。 (4) 深部带：地幔石墨是呈气体形式存 在的碳的来源。 表层生物化学带富含轻碳(12C)，愈向深 部愈富13C，深部带δ13C＝ -l0—-30‰。
2、岩石圈中的碳同位素 、
地壳中碳按同位素成分大体可分四类： (1) 沉积的碳酸盐类矿物和岩石，如方解石、 石灰岩、白云岩，其δ13C＝0; (2) 岩浆成因的碳酸盐岩、金伯利岩中的碳 酸盐、金刚石、内生成因石墨等，其δ13C ＝ 5.3— -7.0‰; (3) 火成岩及其中的碳，金伯利岩中SiC和黑 金刚石，其δ13C=-17.9一-28‰，与陨石碳相近 似; (4) 有机沉积物、沉积岩中的有机质、石油、 油页岩、煤和天然气等，其δ13C= -24—-29‰。
三 、 碳同位素在矿床成因研究 中的应用
（一）热液矿床的碳同位素组成 1、热液中碳的来源 、 归纳起来，成矿溶液中的碳有3个来源： 岩浆源或深部源，它们的δ13C值为-7‰ 左右; 沉积碳酸盐来源，其δ13C值为0左右； 沉积岩、变质岩与火成岩中的有机碳(还 原碳)，它们的δ13C值为-25‰左右。
（ 四 ） 石油和天然气的碳同位 素组成
在石油和天然气研究方面，碳同位素应 用占有十分重要的地位。 碳同位素在石油和天然气方面的应用可 概括为以下几个方面。
1、石油δ13C值的 "年龄效应 、石油 年龄效应" 值的 年龄效应
目前对世界各地不同时代 (从前寒武 纪至更新世)地层中油、气碳同位素组成 所作的统计分析表明，石油的碳同位素 组成与其形成时代之间有着明显的关系。
穆治国等 (1981)和张大椿等 (1984)对 我国某些钨矿床的碳同位素组成进行了 研究。由于这些矿床不含石墨，因而方 解石的平均δ13C值可近似等于成矿溶液 的δ13C值。
矿床 西华山 漂塘 行洛坑 阳储岭 δ13C -6.45（6） -3.70（14） -5.70（3） -8.0（4） 资料来源 穆治国 穆治国 张大椿 张大椿
澳大利亚Hamersley Range铁矿是一个 十分有名的沉积矿床。尽管对该矿床已 作过十分详细的研究，但关于矿床的成 因，特别是铁矿层的沉积环境仍然在争 论之中，有些研究人者认为是浅海相， 有的认为是咸湖相，还有些认为是内陆 淡水湖相。
为了解决这一问题，R.H.Becker和R. N. Clayton(1979)对该矿来进行了详细的碳 同位素研究。铁矿层 (Dales Gorge段)中 绝 大 多 数 碳 酸 盐 矿 物 的 δ13C 值 为 -9— 11‰； 位于铁矿层上、下的Duck Creek白云岩 和Wittenoom白云岩中，大部分碳酸盐矿 物的δ13C值为-2—+2‰，与现代海相碳 酸盐的δ13C值相似。
这些源区中的氧化碳是通过溶解反应， 即 CaCO3+2H+→ H2CO3+Ca2+ 和脱碳反应，即 3 白 云 石 +4 石 英 → 滑 石 +3 方 解 石 +3CO2进入热液体系
上述源区中的还原碳是通过氧化反应， 即 C+O2→CO2 和水解反应，即 2C+2H2O→CO2+CH4 进 入 热 液 体系。
对热液总碳的估计
（ 二 ） 某些热液矿床的碳同位 素组成
R. O. Rye等(1979)对某些热液矿床中碳酸盐 矿物及气液包裹体中二氧化碳的碳同位素组成 进行了研究，其结果显示：图6-11。 早期形成的高温碳酸盐矿物一般以六面体晶体 为主，它们的δ13C值 (Panasqueira矿床除外)大 都在-6一-9‰之间，反映出这些碳具有深部来 源的特点。 晚期碳酸盐矿物(Upper Mississippi alley矿床除 外)一般均富13C。但在不同的矿床中，13C富集 的原因可能是不同的，归纳起来主要有：
热液的酸碱度变化主要影响热液中含 碳原子团的存在形式。 当热液的pH值小于6时，热液中H2CO3的 浓度大于HCO3- 的浓度，CO32- 的浓度可 以忽略不计。 随着热液pH值逐渐增加至12， HCO3-逐 渐居主要地位。 当热液的pH值大于12时，含碳组分则以 CO32-为主。
Ohmoto(1972)指出，除非成矿热液 的温度、氧逸度和酸碱度已知，否则不 能认为δ13C值为-5—-8‰的碳酸盐是从 δ13C∑C为-5—-8‰的热液中沉淀的。 生物成因碳的δ13C值的变化是很大的， 但是，热液氧逸度和酸碱度的变化也能 使热液中沉淀的碳酸盐矿物的δ13C值发 生很明显的变化。
2、斑岩型矿床的碳同位素组成 、
下表列出了我国某些不同种类斑岩型矿床 的碳同位素组成。
矿床 多宝山Cu 团结沟金矿 冷水铅锌矿 样品数 δ13C‰ 10 5 4 -2.48 -1.11 -3.82 δ18O‰ 2.8—2.1 10.2—-9.36 11.29—5.21 来源 马德有 吴尚全 黄耀生
H. Ohmoto和R. O. Rye(1979)指出，热液矿 床中一个潜在的地温计是方解石-二氧化碳。 通过测定不含碳的寄主矿物(host mineral)如石 英、硫化物的原生气液包裹体中二氧化碳以及 同时沉淀的方解石的碳同位素组成，就可利用 相应的分馏系数计算其形成温度。即使在温度 高达300℃的情况下所获得的成矿温度也是比 较可靠的，误差在士20℃范围内，因此，碳同 位素地温计也是有效的。
2、确定原油的形成环境 、
一般认为，石油是由海相或陆相盆地沉积物 中的动植物残体逐渐演化形成的;而海相和陆 相有机质的碳同位素组成是不同的。 E. T. Degens(1969)对现代沉积物中有机碳的研 究表明，海相沉积有机碳的δ13C值为-20‰左 右，淡水沉积有机碳的平均δ13C值为-25‰左 右，有的甚至低到-30%。。