Frazionamento isotopico

Gli isotopi di uno stesso elemento, avendo massa diversa, hanno proprietà chimiche e fisiche leggermente diverse. Per questo, durante le trasformazioni chimiche e fisiche avviene un frazionamento isotopico, cioè i due isotopi si distribuiscono con un’abbondanza isotopica differente nei reagenti e nei prodotti. Ad esempio, nell’evaporazione dell’acqua, la molecola H218O, che ha una tensione di vapore leggermente inferiore a quella della molecola H216O, tenderà a rimanere in fase liquida, aumentando la sua abbondanza isotopica in questa. Il vapore acqueo formato dall’evaporazione avrà quindi una minore abbondanza dell’isotopo 18O rispetto all’originale abbondanza nell’acqua.

In generale possono essere distinti due tipi di frazionamento isotopico:

  1. all’equilibrio (termodinamico): dovuto ad una differenza di energia di legame degli isotopi nei composti. Questo implica che: gli isotopi pesanti si accumulano nei prodotti ossidati; la reazione è favorita a basse temperature, poiché alle alte temperature le differenze tra gli isotopi si attenuano; il processo non è rilevante nel caso di reazioni chimiche di sostanze gassose e di reazioni biologiche;
  2. cinetico: dovuto a differenti velocità di reazione degli isotopi.

Nelle reazioni sopra descritte, si osserva in generale che sono favoriti i processi rapidi, irreversibili e unidirezionali, quando cioè i prodotti sono facilmente allontanati dai reagenti come ad esempio nei processi di evaporazione, diffusione, eccetera; inoltre va favorita la rottura dei legami formati dagli isotopi leggeri, infine la distribuzione preferenziale degli isotopi leggeri è nei prodotti, dei pesanti è nei reagenti.

Data una sostanza chimica AB caratterizzata dalla presenza di una certa distribuzione isotopica dell’elemento X possiamo calcolare il fattore di frazionamento αAB dividendo il rapporto del numero degli isotopi X nel prodotto A con il rapporto del numero degli isotopi X nel prodotto B.

dove:

Il fattore di frazionamento viene però normalmente sostituito dal fattore di arricchimento isotopico ε che è definito come ε = 1000 · α-1.

L’analisi degli isotopi stabili rappresenta un metodo scientifico altamente specialistico per supportare varie discipline quali le scienze ambientali, le scienze forensi, la medicina, eccetera. Nel campo delle scienze ambientali sono numerose le applicazioni dalla geologia all’ecologia, comprendendo lo studio dei processi fisici e chimici ambientali.

Le applicazioni nel campo della geologia spaziano dagli studi idrogeologici, stratigrafici, a quelli petrologici. In campo idrogeologico, ad esempio, gli isotopi stabili della molecola d’acqua (18O e 2H) registrano l’altitudine media della zona di ricarica dell’acquifero ed eventuali fenomeni di evaporazione, permettendo la distinzione tra acque provenienti da circuiti idrogeologici diversi. Inoltre consentono di studiare l’interazione acqua-roccia. In campo stratigrafico gli isotopi del carbonio, dell’azoto, dello zolfo e del cloro permettono di ottenere informazioni sull’evoluzione del processo diagenetico del sedimento da cui provengono (carbonati solidi). Nel campo della petrologia lo studio degli isotopi permette di comprendere l’origine dei magmi e i loro processi di differenziazione. Inoltre, la determinazione della composizione isotopica dell’ossigeno e dell’idrogeno in rocce intrusive, effusive e metamorfiche permette di studiare i processi geodinamici.

Nel campo dell’ecologia le applicazioni dell’analisi degli isotopi stabili sono numerose. Ad esempio: l’analisi del frazionamento isotopico del ferro, determinato dall’attività dei batteri, permette di tracciare l’origine di tali microorganismi. Le analisi degli isotopi del carbonio e dell’azoto permettono di studiare le relazioni trofiche e i flussi di materia tra i principali componenti di un ecosistema (es. sostanza organica, produttori primari, consumatori primari e secondari) e possono essere utilizzate anche per investigare i processi chimici e biologici che avvengono sia a livello di ecosistema che a livello di singoli organismi.

L’analisi degli isotopi stabili è stata utilizzata, in alcuni casi, per determinare le cause dell’inquinamento idrico, atmosferico e dei suoli come ad esempio l’origine della contaminazione da nitrati nelle acque superficiali e sotterranee.

Lo studio degli isotopi stabili si è recentemente affermato nel campo dei controlli di qualità di alcuni prodotti alimentari (vino, olio, miele, succhi di frutta) e della sofisticazione delle acque minerali e degli zuccheri. Esso si è rivelato molto importante, soprattutto negli studi di autenticità degli alimenti: in questo caso l’analisi dei differenti rapporti isotopici di specifiche molecole presenti negli alimenti, permette di riconoscerne l’origine in quanto provenienti da materie prime diverse o elaborate con processi diversi, per esempio per sintesi biologica o industriale.