Isótopos, Una Clave Base de la Geoquímica

Los isótopos son átomos cuyos núcleos atómicos tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. No todos los átomos de un mismo elemento son idénticos y cada una de estas variedades corresponde a un isótopo diferente. Los isótopos poseen las siguientes características:

-Poseen el mismo número de protones.

-Son especies del mismo elemento químico.

-Difieren del número de neutrones y número másico.

-Los isótopos en general poseen las mismas propiedades químicas. Sin embargo, pueden presentar diferentes propiedades físicas.

“Los isótopos de un mismo elemento poseen abundancias naturales diferentes, o sea, se encuentran en la naturaleza en cantidades distintas unos de otros.”

Efectos de los isótopos

Es bien sabido que la estructura electrónica de un elemento determina esencialmente su comportamiento químico, mientras que el núcleo es más o menos responsable de sus propiedades físicas. Debido a que todos los isótopos de un elemento dado contienen el mismo número y disposición de electrones, la consecuencia lógica es una similitud de gran alcance en el comportamiento químico.

Proceso de fraccionamiento de isótopos

La división de isótopos (Figura 1) entre dos sustancias o dos fases de la misma sustancia con diferentes proporciones de isótopos se denomina “fraccionamiento de isótopos”. Los principales fenómenos que producen fracciones de isótopos son:

-Reacciones de intercambio de isótopos (distribución de isótopos de equilibrio).

-Procesos cinéticos, que dependen principalmente de las diferencias en las velocidades de reacción de las moléculas isotópicas.

En este proceso se da el intercambio isotrópico, donde se incluyen procesos con mecanismos físicos y químicos muy diferentes. Se carece de reacción y la distribución de isótopos cambia entre diferentes sustancias químicas, entre fases diferentes o entre moléculas individuales.

Figura 1. Ejemplificación ilustrada del fraccionamiento de isotópico. Recuperada de la página web: https://culturacientifica.com/2019/11/12/el-modelo-de-bohr-sommerfeld-y-las-propiedades-quimicas-de-los-elementos/

Factor de fraccionamiento

El factor de fraccionamiento se define como la relación de los números de dos isótopos en un compuesto químico A dividido por la relación correspondiente para otro compuesto químico B (Figura 2).

Figura 2. Fórmula del factor de fraccionamiento.

Procesos de evaporación y condensación

De especial interés en la geoquímica de isótopos estables son los procesos de evapo-condensación, porque las diferencias en las presiones de vapor de los compuestos isotópicos conducen a fracciones de isótopos significativas. Esta cuenta con varios efectos como los efectos cinéticos que están asociados a procesos incompletos y unidireccionales como la evaporación, las reacciones de disociación, las reacciones mediadas biológicamente y la difusión. Este último proceso es de especial importancia para fines geológicos. Luego se encuentran los efectos dependientes de la masa, que, en el equilibrio termodinámico, las distribuciones de isótopos se rigen estrictamente por las diferencias de masa relativas entre los diferentes isótopos de un elemento. Las relaciones dependientes de la masa también son válidas para muchos procesos cinéticos. Por lo tanto, ha sido una creencia común que, para la mayoría de las reacciones naturales, los efectos isotópicos surgen únicamente debido a las diferencias de masa isotópicas. Por último, los efectos independientes donde según Savarino y Thiemens (1999), el mecanismo para los fraccionamientos independientes de la masa sigue siendo incierto.

Múltiples isótopos sustituidos

En la geoquímica de isótopos estables generalmente se dan composiciones isotópicas a granel de muestras naturales. En los gases medidos, las composiciones a granel solo dependen de la abundancia de moléculas que contienen un isótopo raro. Sin embargo, también existen en muy baja concentración, moléculas que tienen más de un isótopo raro. Diversos investigadores ya han reconocido que multiplicar isotopólogos sustituidos tienen propiedades termodinámicas únicas diferentes de isotopólogos sustituidos individualmente de la misma molécula. Por lo tanto, las distribuciones naturales de isotopólogos sustituidos de forma múltiple pueden proporcionar restricciones únicas a los procesos geológicos, geoquímicos y cosmoquímicos (Wang et al., 2004).

La difusión ordinaria puede causar fracciones muy importantes de isótopos. En general, los isótopos livianos son más móviles y, por lo tanto, la difusión puede conducir a una separación de la luz de los isótopos pesados.

Factores que influyen al fraccionamiento isotópico

-Presión: Comúnmente se supone que la temperatura es la variable principal que determina el fraccionamiento isotópico y que el efecto de la presión es insignificante, ya que los volúmenes molares no cambian con la sustitución isotópica. Esta suposición generalmente se cumple, excepto por el hidrógeno.

-Composición química: Cualitativamente, la composición isotópica de un mineral depende en un grado muy alto de la naturaleza de los enlaces químicos dentro del mineral y, en menor grado, de la masa atómica de los elementos respectivos.

-Estructura cristalina: Los efectos estructurales son secundarios en importancia a los que surgen de la unión química primaria: el isótopo pesado se concentra en las estructuras más compactas o bien ordenadas.

Bibliografía

-Galimov EM. (1973). Izotopy ugleroda v heftegazovoy geologii [Carbon isotopes in oil-gas geology]. NASA Tech. Transl. F-682.

-Savarino, J. y Thiemens, M. (1999). Analytical procedure to determine both δ18O and δ17O of H2O2 in natural water and first measurements. Atmospheric Environment. 33. 3683-3690.

-Wang et al. (2004). Stress induces depletion of Cdc25p and decreases the cAMP producing capability in Saccharomyces cerevisiae. PubMed script. Microbiology (Reading, England).