1.4. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ
1.4.1. Giới thiệu về đồng vị bền các nguyên tố Carbon, Oxy và Nitơ
Nguyên tử đƣợc cấu tạo bởi ba hạt cơ bản là nơtron (n), proton (p), và electron(e). Trong đó p mang điện tích dương, e mang điện tích âm còn n là hạt không mang điện tích. Bởi vì khối lƣợng của n xấp xỉ bằng p, và khối lƣợng của elà rất nhỏ và coi nhƣ không đáng kể (Bảng 1.1), nên khối lƣợng nguyên tử của một nguyên tốđƣợc tập trung chủ yếu trong hạt nhân và đƣợc tính bằng tổng khối lƣợngn + p. Một nguyên tử đƣợc xác định bằng số p trong hạt nhân, còn tổng số điện tích p của hạt nhân thì cân bằng với số e ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử (ngoại trừ đồng vị 1H của hydro, chỉ có 1 p không có n). Các nơtron trong hạt nhân nguyên tử đóng vai trò quan trọng cho sự ổn định cấu trúc của hạt nhân nguyên tử, chúng giữ cho hạt nhân nguyên tử có mức điện tích dương cao và giữ cho khoảng cách giữa các hạt p không quá gần nhau. Tuy vậy, nếu các hạt nhân có quá nhiều nơtron, sẽ làm cho hạt nhân không bền vững. Lý thuyết quang phổ lƣợng tử chỉ ra rằng số n nên bằng hoặc lớn hơn chút ít so với số p để giữ cho hạt nhân bền vững.Trong bảng hệ thống tuần hoàn, chỉ có hạt nhân nguyên tử của nguyên tố hydro (H) và heli (He) có số n ít hơn số p.
Vào năm 1919, nhà khoa học Francis W. Aston xây dựng một máy phân tích quang phổ khối lượng tại trường Cambridge, Vương Quốc Anh (Fry, 2006). Với máy phân tích này ông đã chỉ ra rằng nguyên tử của neon (Ne) thực ra là có 3 cấu trúc nguyên tử khác nhau, bởi chúng có số e và p giống nhau là 8, nhƣng số n là khác nhau lần lƣợt là 12, 13, và 14. Sự khác nhau về số n đã tạo ra 3 đồng vị Ne có số khối lần lƣợt là 20, 21, và 22.Sau kết quả thí nghiệm với nguyên tố Ne, Aston đã phát hiện ra nhiều nguyên tố cũng có đặc điểm tương tự, và sau đó ông đã được trao giải Nobel hóa học cho các phát hiện này (http://www.nobelprize.org).
Trong một nguyên tử, lớp vỏ electron thể hiện tính chất hóa học của nguyên tố.
Đối với một nguyên tử của một nguyên tố thì số p luôn không đổi để cân bằng điện tích với số e ở lớp ngoài cùng, nhƣng số n có thể thay đổi. Do vậy, số khối (hay khối lƣợng) của các nguyên tử của một nguyên tố có thể khác nhau (mặc dù là rất nhỏ),do khối lƣợng của nơtron là rất nhỏ (Bảng 1.1). Sự thay đổi số n trong nguyên tử nguyên tố không gây ra các sự khác biệt về tính chất hóa học giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố và các hợp chất của nó. Tuy vậy, sự khác nhau về khối lƣợng giữa các nguyên tử của một nguyên tố gây ra bởi sự khác nhau về số n là nguyên nhân gây ra sự khác nhau rất nhỏ về tính chất hóa lý giữa các nguyên tử hoặc hợp chất chứa chúng.
Bảng 1.1.Điện tích và khối lƣợng của các hạt proton, nơtron và electron của một nguyên tử
Loại hạt Điện tích Khối lƣợng
Proton +1 1,6726×10-24
Nơtron 0 1,6749543×10-24 Electron −1 9,109534×10-28
Đồng vị là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton và electron nhưng khác nhau về số nơtron. Thuật ngữ đồng vị (isotope) bắt nguồn từ tiếng Latin, nghĩa là các đồng vị của một nguyên tố thì giống nhau (iso) về vị trí
(topos) trong bảng hệ thống tuần hoàn (Sharp, 2007). Đồng vị của một nguyên tố thường được ký hiệu làmpE, trong đó m là số khối (hay khối lượng) của nguyên tử, p là số protron của nguyên tử, và E là ký hiệu nguyên tố. Trong bảng hệ thống tuần hoàn, các nguyên tố thường được biểu thị bằng một đồng vị phổ biến nhất với số khối và số proton, ví dụ đồng vị phổ biến của nguyên tố carbon (C) là 126C, trong đó 12 là khối lƣợng nguyên tử hay là tổng số nơtron và proton, và 6 là số protron có trong hạt nhân nguyên tử carbon.
Hầu hết các nguyên tố đều có số đồng vị nhiều hơn 2, trong bảng hệ thống tuần hoàn chỉ có 21 nguyên tố có duy nhất một đồng vị, trong đó bao gồm các nguyên tố phổ biến là Flo(F), Nhôm (Al), Natri (Na), và Phospho (P). Đồng vị của các nguyên tố có thể chia thành 2 loại đồng vị là đồng vị phóng xạ và đồng vị bền.
Trong đó, đồng vị phóng xạ là đồng vị của các nguyên tố mà hạt nhân nguyên tử có thể phân rã và phát ra các tia phóng xạ để chuyển thành các hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác. Đồng vị bền là đồng vị của các nguyên tố có mức năng lƣợng nguyên tử ổn định và cân bằng, chúng không có tính chất phân rã do vậy chúng không có khả năng phóng xạ. Trên thực tế, hầu hết các đồng vị của các nguyên tố đều có khả năng phóng xạ, tuy nhiên xác suất xảy ra phân rã của các đồng vị bền là rất nhỏ, nên có thể bỏ qua. Do vậy, thuật ngữ đồng vị bền chỉ là tương đối nó phụ thuộc vào khả năng phân tích và xác định các mức độ phóng xạ và thời gian phân rã của các nguyên tố (Sharp, 2007). Theo các phép thống kê quang phổ lƣợng tử, các nguyên tử của các nguyên tố có tính chất bền vững nếu số nơtron bằng hoặc gần bằng với số proton (N/Z ≤ 1,5).
Các đồng vị bền của các nguyên tố C, O, và N đƣợc lựa chọn giới thiệu bởi vì chúng có một số đặc điểm quan trọng nhƣ sau:
- Các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N đã tồn tại hàng tỷ năm kể từ khi chúng đƣợc hình thành trên trái đất từ các vụ nổ vũ trụ và tồn tại trên trái đất cho đến ngày nay.
- Các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N tham gia vào hầu hết các quá trình sinh địa hóa quan trọng trong các quyển của trái đất nhƣ khí quyển, thủy quyển, sinh quyển, và thạch quyển. Các đồng vị của các nguyên tố N và O là thành phần chính cấu tạo nên khí quyển trái đất; các đồng vị của các nguyên tố O là thành phần chính của các loại nước có trong thủy quyển; các đồng vị của các nguyên tố C, O, và N là phổ biến trong các hợp chất hữu cơ cấu tạo nên cơ thể sống của cả động vật và thực vật trong sinh quyển… Nghiên cứu đặc điểm phân bố và biến đổi thành phần đồng vị của các nguyên tố này trong các quyển của trái đất và mối quan hệ giữa các hợp chất (vật chất) mà chúng cấu tạo nên sẽ cung cấp cho chúng ta những thông tin về đặc điểm của các chu trình sinh địa hóa và các quá trình xảy ra trên trái đất mà các đồng vị của các nguyên tố này đã tham gia. Đồng thời các đặc điểm về khí hậu, môi trường, và sinh thái trên trái đất sẽ đƣợc làm sáng tỏ cả trong quá khứ, hiện tại và có thể dự báo các quá trình xảy ra trong tương lai.
- Trong bảng hệ thống tuần hoàn có khoảng 300 đồng vị bền và hơn 1200 đồng vị phóng xạ. Độ phổ biến tương đối của các đồng vị của các nguyên tố khác nhau thì khác nhau. Độ phổ biến tương đối của một đồng vị được xác định bằng thành phần phần trăm của các đồng vị của cùng một nguyên tố trong tự nhiên. Đối với các nguyên tố C, O, và N thì chỉ một đồng vị bền là phổ biến, các đồng vị còn lại chiếm một tỷ lệ rất nhỏ.
- Ví dụ, đồng vị phổ biến của nguyên tố carbon là12C và các đồng vị khác có thành phần rất nhỏ là13C, và 14C; đồng vị phổ biến của nguyên tố ôxy là16O và các đồng vị khác có thành phần rất nhỏ là17O và 18O. Các đồng vị có độ phổ biến tương đối cao thường có khối lượng nguyên tử nhỏ nên đƣợc gọi là các đồng vị nhẹ. Còn các đồng vị có khối lƣợng nguyên tử lớn hơn thì thường có độ phổ biến tương đối nhỏ và thường được gọi là các đồng vị nặng. Cần chú ý rằng khái niệm đồng vị nặng hay nhẹ là khác với khái niệm nguyên tố nặng hay nhẹ. Khái niệm đồng vị nặng và đồng
vị nhẹ đƣợc sử dụng phổ biến trong phân tích và nghiên cứu đặc điểm phân bố của các đồng vị bền trong các quyển của trái đất.
Bảng 1.2. Độ phổ biến tương đối của các đồng vị bền của nguyên tố nhẹ C, N, O Nguyên
tố
Đồng vị bền
Độ phổ biến
(%)
Tỷ số của đồng vị nặng/nhẹ
(%)
Chất chuẩn quốc tế
Giá trị tỷ số tuyệt đối giữa tỷ số đồng vị nặng/nhẹ trong chất
chuẩn quốc tế Carbon
12C 98,982
8,3 Vienna Pee Dee Belemnite
(VPDB)
13C:12C=0,0112372
13C 1,108 Nitơ
15N 99,635
7,1 Nitơ trong khí quyển
15N:14N=0,0036765
14N 0,365
Ôxy
16O 99,759
12,5 (18O:16O)
Giá trị trung bình nước đại
dương, hoặc sử dụng VPDB trong khí CO2, hoặc
carbonate
VSMOW=0,0020052 VPDB=0,020672
(18O:16O)
17O 0,037
18O 0,204
33S 0,76
34S 4,29
36S 0,02
Nguồn: Sulzman và cộng sự (2007)