Chemija · Pamoka

Izotopiniai žymekliai, radiochemija ir spinduliuotės įrodymai

Naudokite izotopais apibrėžtą cheminių dalelių tapatybę ir atskirus izotopų telkinių balansus santykiams, mišiniams ir baigtinei pernašai interpretuoti.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Paversti izotopų santykį dalimi ir delta verte nurodyto etalono atžvilgiu.
Išlaikyti izotopų kiekius maišant bendro elemento atsargas.
Išlaikyti izotopų padėtis atskirai nuo sveikaskaičių masės skaičių sumų.
Sudaryti abiejų izotopų telkinių uždarus balansus numatytai baigtinei pernašai.

Izotopinė žyma yra cheminės dalelės dalis

Elemento izotopai turi tą patį protonų skaičių ir skirtingą neutronų skaičių. Jų elektroninė chemija gali būti panaši, nors nuo masės priklausanti elgsena ar branduolio stabilumas skiriasi. Žymėtoje molekulinėje formulėje turi būti nurodyta, kurie atomai turi izotopinę žymą.

Žymeklis gali padėti sekti apibrėžtą komponentą ar atomo padėtį. Jo signalas savaime neseka kiekvieno visos molekulės virsmo, o siūlomam palyginimui gali būti svarbūs izotopiniai efektai.

Santykiui reikia išlaikyti jo izotopų porą ir kiekio pagrindą

Originalus dviejų izotopų modelis apibrėžia R kaip sunkiojo izotopo kiekį, padalytą iš lengvojo kiekio, o jo dalis gaunama dalijant iš bendro elemento kiekio. Šis skirtumas pakeičia mišinio aritmetiką. Kiekvieną įnešamą medžiagą perskaičiuokite į atskirus sunkiojo ir lengvojo izotopų kiekius, sudėkite tuos telkinius ir tik tada apskaičiuokite mišinio santykį.

Izotopinė delta papildomai palygina mėginio santykį su etaloniniu santykiu, naudojant tą pačią izotopų porą. Išreiškiant deltą promilėmis jos bedimensė vertė dauginama iš 1000; tai nepaverčia santykio izotopo dalimi. Tikrame darbe nurodykite tikrąją etaloninę skalę.

Mokomasis etaloninis santykis 0.0112 yra hipotetinis ir nenaudoja jokios priimtos VPDB vertės. Etaloninės medžiagos puslapis pateikia rezultatų pateikimo susitarimą, o konkrečiai standartinei vertei reikia atskirai patikrintos tapatybės, datos ir neapibrėžties.

Prieš apskaičiuodami santykį sumaišykite izotopų kiekius

Įnešami bendri elemento kiekiai / mmol	Sunkiojo izotopo kiekis / mmol	Lengvojo izotopo kiekis / mmol	Mišinio sunkiojo ir lengvojo izotopų santykis
A 8.00 + B 2.00	0.261026103	9.738973897	0.0268022181
A 2.00 + B 8.00	0.747074707	9.252925293	0.0807392996

Originalūs tiksliai dviejų izotopų mišiniai. A/B santykiai lieka 0.0100/0.100; pakeitus tik jų įnešamus bendrus elemento kiekius pasikeičia mišinys. Nenaudojamas tikras bandinys ar izotopinis standartas.

Izotopų santykis ir izotopo dalis turi skirtingus vardiklius

Santykis palygina dviejų pasirinktų izotopų kiekius, o izotopo dalis palygina vieną iš jų su nurodytu bendru kiekiu. Vieną į kitą perskaičiuokite pagal aiškią izotopų apskaitą. Kiti izotopai ar neišskirtos cheminės formos gali reikalauti išsamesnės apskaitos.

Mišinio skaičiavimas išlaiko pasirinktų izotopų kiekius. Sveriant pagal netinkamą kiekio pagrindą galima gauti klaidingą mišinio santykį net tada, kai aritmetika atrodo įtikinama. Nurodykite, kokią medžiagą ir elemento kiekį įneša kiekvienas komponentas.

Žymeklio tapatybei ir jos interpretacijai reikia daugiau nei bendro kiekio

Pasirinktuose žymėto etanolio pavyzdžiuose branduolių krūviai ir neutronai skaičiuojami pagal visiškai nurodytas anglies ir deguonies izotopines žymas. Vienodos sveikaskaitės nukleonų sumos gali atsirasti iš skirtingų žymų. Jei vandenilio žymai nepriskirta erdvinė ar konkretaus atomo padėtis, išlaikykite šią padėties neapibrėžtį, o ne išgalvokite vienintelę žymeklio formą.

Žymeklio signalas gali susiaurinti galimybes sprendžiant, kur komponentas buvo sulaikytas, patyrė mainus ar virsmą, priklausomai nuo atsako ir cheminio atskyrimo modelio. Bendras izotopų santykis ir konkrečios padėties dalelės įrodymai atsako į skirtingus klausimus. Kalibravimas, fonas ir nuo izotopo priklausantys efektai tebėra svarbūs.

Baigtinės pernašos pavyzdyje iš anksto numatyta pašalinto kiekio izotopinė sudėtis. Atėmus abu jo kiekius uždaromi likučių telkinių balansai ir gali padidėti likusio sunkiojo izotopo dalis. Taip neišvedamas diferencialinis frakcionavimo dėsnis ir neidentifikuojamas tokią sudėtį sukuriantis cheminis mechanizmas.

Žymeklio matavimui reikia ir atsargų apskaitos, ir atsako modelio

Išmatuotas signalas gali apimti foną, aptikimo nuostolius ir daugiau nei vieną šaltinį. Kalibravimas ir tinkamas cheminio atskyrimo ar atpažinimo modelis nustato, kokią izotopų apskaitą pagrindžia atsakas.

Radioaktyviosios žymos atveju skilimas per nagrinėjamą intervalą keičia tikėtiną kiekį. Stabiliojo izotopo žymai reikia atitinkamos cheminių formų, masės ir dalies apskaitos. Nė viena žyma savaime neidentifikuoja visų nematuoto komponento nueitų kelių.

Izotopinis rezultatas apriboja apibrėžtą klausimą

Konkrečios padėties ar cheminės formos stebėjimai gali patikrinti kelią kitaip nei bendras elemento izotopų santykis. Mainai, frakcionavimas, maišymas ir sulaikymas gali veikti interpretaciją. Nepriklausomi cheminiai įrodymai padeda atskirti alternatyvas.

Toliau pateiktos originalios žymeklių apskaitos naudoja išgalvotus kiekius ir atsakus. Tai nėra izotopų naudojimo procedūros, tikro bandinio amžiaus įverčiai ar spinduliuotės rizikos matavimai.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Santykis, dalis ir izotopinė delta naudoja skirtingus vardiklius

Abstrakčiam elementui, turinčiam tiksliai du stabilius izotopus, priskirkite sunkiojo ir lengvojo kiekių santykį R=0.0142 ir hipotetinį etaloninį santykį R_ref=0.0112 tai pačiai skaitiklio ir vardiklio porai. Apskaičiuokite sunkiojo izotopo dalį ir izotopinę deltą.

Sunkiojo izotopo dalis yra f_H=R/(1+R)=0.0140011832; lengvojo dalis yra 1/(1+R)=0.9859988168. Pats izotopų santykis nėra sunkiojo izotopo dalis.
Bedimensė izotopinė delta yra R/R_ref−1=0.2678571429. Išreikšta promilėmis, ji yra 1000δ=267.8571429‰.
Etaloninis santykis išgalvotas ir aiškiai nėra priimta VPDB vertė. Tikroje ataskaitoje būtina nurodyti skalę, izotopų porą ir atitinkamą etaloninę medžiagą ar normalizavimo susitarimą.

Sunkiojo izotopo dalis 0.0140011832; delta 0.2678571429, arba 267.8571429‰ hipotetinio etalono atžvilgiu.

Prieš apskaičiuodami santykį sumaišykite izotopų kiekius

Sumaišykite 8.00 mmol bendro elemento iš A, kur R_A=0.0100, su 2.00 mmol iš B, kur R_B=0.100. Yra tiksliai du izotopai, mainų ar frakcionavimo nėra. Raskite mišinio santykį.

Sunkiojo izotopo kiekiai yra 8.00×0.0100/1.0100 ir 2.00×0.100/1.100, iš viso 0.261026103 mmol. Lengvojo kiekis yra 10.0−0.261026103=9.738973897 mmol.
Sunkiojo izotopo dalis mišinyje yra 0.0261026103, o sunkiojo ir lengvojo santykis 0.261026103/9.738973897=0.0268022181.
Tiesioginis pagal bendrą elemento kiekį svertinis abiejų santykių vidurkis naudotų netinkamą vardiklį. Kiekvieną santykį paverskite izotopų kiekiais pagal pateiktą bendro elemento kiekio pagrindą, tada išlaikykite abu telkinius.

Mišinio R=0.0268022181, apskaičiuotas iš atskirai išlaikytų sunkiojo ir lengvojo kiekių.

Vienodos nukleonų sumos gali išlaikyti skirtingas izotopines tapatybes

Priskirkite neutralų žymėtą etanolį ¹³CH₃−¹²CH₂−¹⁶OH, kuriame visas vandenilis yra ¹H. Palyginkite su neutraliu ¹²C₂¹H₆¹⁶O.

Žymėtos molekulės protonų ir elektronų skaičius yra 2×6+6×1+8=26. Neutronų suma yra 7+6+8=21; sveikaskaitė nukleonų suma yra 47.
Nežymėta, pagal izotopus pasirinkta palyginamoji molekulė turi 20 neutronų, o nukleonų suma 46. ¹³C žyma metilo anglies atome yra atomo padėties tapatybės dalis.
Šie sveikaskaičiai skaičiavimai nėra tikslios molekulinės masės ar neatskiriamų spektrų garantijos. Žyma gali sekti pasirinktą atomą neįrodydama, kad kiekvienas pradinės molekulės komponentas nuėjo tą patį kelią.

Pasirinktas ¹³C etanolis turi 26 elektronus ir 21 neutroną; nurodyta nežymėta forma turi 20 neutronų.

Baigtinei pasirinktai pernašai reikia dviejų uždarų telkinių balansų

Priskirkite pradinį bendrą elemento kiekį 1.00 mmol su sunkiojo ir lengvojo santykiu R₀=0.0200. Viena numatyta baigtine pernaša pašalinkite 0.400 bendro elemento kiekio, kai R_removed=0.0160. Yra tiksliai du izotopai. Raskite likučio santykį.

Pradinis sunkiojo izotopo kiekis yra 0.0200/1.0200=0.0196078431 mmol. Pašalintame 0.400 mmol kiekyje sunkiojo izotopo kiekis yra 0.400×0.0160/1.0160=0.00629921260 mmol.
Lieka 0.0133086305 mmol sunkiojo izotopo; bendras likęs kiekis yra 0.600 mmol, todėl lengvojo lieka 0.5866913695 mmol. Likučio R=0.0226842105.
Pradinis lengvojo izotopo kiekis 0.9803921569 mmol padalijamas į pašalintą lengvojo kiekį 0.3937007874 ir likusį lengvojo kiekį 0.5866913695. Abiejų izotopų telkiniai teigiami ir jų balansai užsidaro atskirai.
Pašalinto kiekio sudėtis numatyta šiam baigtiniam įvykiui. Tai nėra diferencialinis Rayleigh dėsnis, visuotinai pastovus cheminio frakcionavimo koeficientas ar tikra darbo su žymekliu procedūra.

Likučio sunkiojo ir lengvojo izotopų santykis 0.0226842105 pagal priskirtą baigtinės pernašos apskaitą.

Pabandykite patys

Naudokite R=0.01176 su tuo pačiu hipotetiniu R_ref=0.0112. Raskite sunkiojo izotopo dalį ir deltą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sunkiojo izotopo dalis 0.0116233099; bedimensė delta 0.0500, arba 50.0‰.
Daliai naudojama R/(1+R); izotopinė delta palygina atitinkančius mėginio ir etalono santykius.
Sukeiskite bendrus elemento kiekius: A 2.00 mmol ir B 8.00 mmol, išlaikydami jų santykius. Perskaičiuokite mišinį.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sunkusis 0.747074707 mmol; lengvasis 9.252925293 mmol; mišinio R=0.0807392996.
Prieš sudėdami kiekvieno komponento santykį paverskite izotopų kiekiais; bendras elemento kiekis lieka 10.0 mmol.
Vietoj to priskirkite neutralų etanolį ¹²C₂¹H₅²H₁¹⁶O. Suskaičiuokite elektronus, neutronus ir nukleonus. Ar vienoda nukleonų suma įrodo tą pačią izotopinę tapatybę kaip ¹³C žymėta forma?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
26 elektronai, 21 neutronas, nukleonų suma 47; izotopinė tapatybė skiriasi.
Šiuo atveju ²H pakeičia ¹H; tai skiriasi nuo ¹²C pakeitimo ¹³C. Norint visiškai apibrėžti žymeklio padėties tapatybę, reikia nurodyti žymėto vandenilio padėtį.
Tame pačiame baigtiniame modelyje pašalinkite 0.800 pradinio 1.00 mmol kiekio, išlaikydami R_removed=0.0160. Raskite likusius sunkiojo ir lengvojo kiekius bei santykį.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Sunkusis 0.00700941794 mmol, lengvasis 0.1929905821 mmol; likučio R=0.0363200.
Pašalintas sunkiojo izotopo kiekis yra 0.0125984252 mmol; atimkite abu izotopų telkinius ir išlaikykite bendrą likučio kiekį 0.200 mmol.

Ką verta įsidėmėti

Santykis, dalis nuo bendro kiekio ir izotopinė delta naudoja skirtingus vardiklius.
Maišant išlieka atskiri izotopų kiekiai.
Žymos padėtis išlieka cheminės tapatybės dalimi.
Baigtinė izotopų apskaita nenustato universalaus frakcionavimo dėsnio.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.