LES ISOTOPES STABLES
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même, si on considère la transformation glace -* eau liquide, c’est H,16O qui passe préférentiellement de la glace à l’eau liquide.
La vitesse de déplacement des molécules entre aussi en ligne de compte. L’énergie cinétique d’une molécule (E = x /i nw2') est déterminée par la température du milieu. À énergie
cinétique égale, les molécules contenant des isotopes légers ont des vitesses plus élevées que
celles contenant des isotopes lourds. La fréquence de collision des molécules légères avec
leurs voisines est donc plus grande, ce qui augmente leur probabilité de réagir. De plus,
lors de transfert de matière par diffusion moléculaire, le déplacement des molécules légères
diffuse plus vite, ce qui produit également un fractionnement isotopique.
E
Les fractionnements thermodynamiques
Dans ce qui précède, nous avons considéré une réaction irréversible. Quand la réaction
inverse a également lieu, on atteint un équilibre chimique quand les deux réactions se compensent, si bien que les quantités de produits et de réactifs restent constantes. Dans ce ca/,
on observe généralement que les compositions isotopiques dans les produits et les réactifs
sont constantes. On dit qu’il s’établit un équilibre isotopique (Figure 3.2). Cependant, ces
compositions isotopiques ne sont pas nécessairement égales, car l’isotope léger n’est pas
favorisé au même degré au cours des deux réactions.
Considérons l’équilibre eau liquide £ vapeur. Il résulte des deux réactions unidirectionnelles : eau liquide -> vapeur et vapeur -> eau liquide. Nous avons vu que la transformation eau liquide -» vapeur s’accompagne enrichissement de la vapeur en 16O. En principe,
la transformation vapeur -» eau liquide pourrait s’accompagner d’un enrichissement de
l’eau liquide en l6O, mais comme dans la vapeur, la plupart des liaisons hydrogène sont
rompues, la différence de comportement entre H3I6O et H,18O y est moindre. Quand les deux
réactions s’équilibrent, on trouve donc préférentiellement 18O dans l’eau liquide alors que
16O est enrichie dans la vapeur. De même, pour l’équilibre entre la glace et l’eau liquide,
18O est enrichie dans la glace, où chaque molécule d’eau établie deux liaisons hydrogène
avec ses voisines, alors que dans le liquide, les liaisons sont moins régulières. D’une façon
générale, les isotopes lourds sont enrichis dans les composés avec lesquels ils peuvent former
les liaisons les plus stables.
Mettons maintenant dans un récipient de l’eau liquide appauvrie en l8O avec de la
vapeur enrichie en 18O en supposant qu’elles sont en équilibre thermodynamique (pas de
variation de leur quantité). Même si les quantités d’eau et de vapeur restent constantes, il y
a un constant mouvement de molécules qui se condensent et s’évaporent au contact entre
l’eau et la vapeur : l’eau liquide est peu à peu enrichie en 18O, alors que la vapeur s’appauvrit
en 18O. On dit qu’il y a échange isotopique qui dure jusqu’à ce que l’on atteigne l’équilibre
isotopique (Figure 3.2). L’échange isotopique permet de tracer l’échange de matière entre
les deux phases, alors qu’il n’y a pas de flux net de matière entre elles. L’échange isotopique
est un concept très général que l’on utilise également dans le cas des isotopes radiogéniques
(voir le chapitre suivant).
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même, si on considère la transformation glace -* eau liquide, c’est H,16O qui passe préférentiellement de la glace à l’eau liquide.
La vitesse de déplacement des molécules entre aussi en ligne de compte. L’énergie cinétique d’une molécule (E = x /i nw2') est déterminée par la température du milieu. À énergie
cinétique égale, les molécules contenant des isotopes légers ont des vitesses plus élevées que
celles contenant des isotopes lourds. La fréquence de collision des molécules légères avec
leurs voisines est donc plus grande, ce qui augmente leur probabilité de réagir. De plus,
lors de transfert de matière par diffusion moléculaire, le déplacement des molécules légères
diffuse plus vite, ce qui produit également un fractionnement isotopique.
E
Les fractionnements thermodynamiques
Dans ce qui précède, nous avons considéré une réaction irréversible. Quand la réaction
inverse a également lieu, on atteint un équilibre chimique quand les deux réactions se compensent, si bien que les quantités de produits et de réactifs restent constantes. Dans ce ca/,
on observe généralement que les compositions isotopiques dans les produits et les réactifs
sont constantes. On dit qu’il s’établit un équilibre isotopique (Figure 3.2). Cependant, ces
compositions isotopiques ne sont pas nécessairement égales, car l’isotope léger n’est pas
favorisé au même degré au cours des deux réactions.
Considérons l’équilibre eau liquide £ vapeur. Il résulte des deux réactions unidirectionnelles : eau liquide -> vapeur et vapeur -> eau liquide. Nous avons vu que la transformation eau liquide -» vapeur s’accompagne enrichissement de la vapeur en 16O. En principe,
la transformation vapeur -» eau liquide pourrait s’accompagner d’un enrichissement de
l’eau liquide en l6O, mais comme dans la vapeur, la plupart des liaisons hydrogène sont
rompues, la différence de comportement entre H3I6O et H,18O y est moindre. Quand les deux
réactions s’équilibrent, on trouve donc préférentiellement 18O dans l’eau liquide alors que
16O est enrichie dans la vapeur. De même, pour l’équilibre entre la glace et l’eau liquide,
18O est enrichie dans la glace, où chaque molécule d’eau établie deux liaisons hydrogène
avec ses voisines, alors que dans le liquide, les liaisons sont moins régulières. D’une façon
générale, les isotopes lourds sont enrichis dans les composés avec lesquels ils peuvent former
les liaisons les plus stables.
Mettons maintenant dans un récipient de l’eau liquide appauvrie en l8O avec de la
vapeur enrichie en 18O en supposant qu’elles sont en équilibre thermodynamique (pas de
variation de leur quantité). Même si les quantités d’eau et de vapeur restent constantes, il y
a un constant mouvement de molécules qui se condensent et s’évaporent au contact entre
l’eau et la vapeur : l’eau liquide est peu à peu enrichie en 18O, alors que la vapeur s’appauvrit
en 18O. On dit qu’il y a échange isotopique qui dure jusqu’à ce que l’on atteigne l’équilibre
isotopique (Figure 3.2). L’échange isotopique permet de tracer l’échange de matière entre
les deux phases, alors qu’il n’y a pas de flux net de matière entre elles. L’échange isotopique
est un concept très général que l’on utilise également dans le cas des isotopes radiogéniques
(voir le chapitre suivant).