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¿Por qué es tan difícil separar los isótopos?

Yo estaba leyendo en la Wikipedia en la que el agua pesada en grandes cantidades es tóxico para las células eucariotas debido a ciertas propiedades físicas de deuterio son suficientemente diferentes de las de los protium para interrumpir el proceso de la mitosis por el cual las células se dividen.

Esto trajo una pregunta a mi mente: si los diferentes isótopos de un elemento se comportan de manera diferente ya biológico temperaturas y presiones-como para dar cuenta de la vida o la muerte de una célula, como en el caso del hidrógeno, entonces ¿por qué es tan difícil separar los isótopos en un laboratorio? ¿Por qué es un proceso químico similar a lo que ocurre durante la división celular no es adecuado para separar el deuterio de protium, y en lugar de todos los isótopos de los métodos de separación utilizados normalmente son tan cara la energía (centrifugadoras de gas, calutrons, etc.)?

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JRT Puntos 97

El agua pesada es fácil de separar de regular el agua debido a la diferencia de masa es bastante grande. La masa molar del agua pesada es 11% más pesado que el agua normal.

Sin embargo, si tomamos uranio separación, entonces el porcentaje de la diferencia de peso entre las $^{235}$UF$_6$ $^{238}$UF$_6$ es sólo el 0,9%, por lo que la diferencia relativa es mucho menor.

Así es mucho más difícil para enriquecer uranio que para la extracción de agua pesada. Es por eso que un kg de agua pesada de los costos en el rango de £100 a £1,000 dependiendo de la pureza, mientras que un kg de $^{235}$U requiere que los recursos de un país para producir.

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Davidmh Puntos 1754

La diferencia clave es la complejidad de la escala. En un ejemplo típico de cada día de reacción que implica el agua, el proceso es termodinámicamente; la diferencia de energía libre entre los reactantes y de los productos es mucho mayor que cualquier efecto que el neutrón extra puede tener. En resumen, las cosas suceden principalmente porque hay una pérdida de energía o el aumento de la entropía; y todos los estados intermedios son suficientemente simples para que puedan ser igual de fácil acceso.

Como un ejemplo, si tiene dos iones disueltos en el agua de reaccionar, las diferencias entre el normal y el agua pesada se hacen chocar ligeramente diferentes velocidades, y que dará lugar a una pequeña diferencia en la velocidad de reacción. Pero el proceso es tan simple que es robusto a cambios pequeños en las condiciones iniciales.

Por otro lado, en un proceso biológico, tenemos mucho más que hacer. Vamos a tomar una forma mucho más simple ejemplo: el plegamiento de una proteína. El típico de una proteína es una cadena de unos pocos cientos de aminoácidos (un par de miles de átomos). Con el fin de realizar su función biológica, tiene una compleja y muy determinada estructura 3D. Anfinsen mostró que si usted sale de una proteína extendida en el agua, se pliega en una estructura compacta llamada de la estructura nativa. La parte interesante (y recibió un Premio Nobel por esto) es que este estado nativo es siempre la misma, esta es la estructura que permite que la proteína de función en la célula.

Para llegar a esta forma compacta, entre otras cosas, la proteína tiene para expulsar el agua. Este proceso es impulsado por el uso de la cinemática y de la termodinámica: cerca de aminoácidos crear termodinámicamente beneficiosos de los enlaces de hidrógeno, pero primero tienen que acercarse lo suficiente. Esto no puede lograrse sólo por azar las fluctuaciones térmicas, por lo tanto, no es una cinemática componente (cómo llegamos allí es tan importante como donde vamos). Ahora, moviéndose a través del agua pesada es diferente, y no podemos llegar al mismo destino. De hecho, el agua es tan importante que cuando se realizan simulaciones de Dinámica Molecular, el biológico complejo se sitúa en una gran caja llena de agua, y una gran parte de el equipo de el tiempo que se gasta simulando el contrario aburrido movimiento de estas moléculas.

El momento en el que uno de los miles de moléculas complejas en la celda no se pliega correctamente, el celular tiene un problema. El ejemplo más famoso son los priones: proteínas que son missfolded, y perturban el funcionamiento natural de la célula.

Por desgracia, esto es inútil para el propósito de separar el agua pesada. Incluso si logran separar a "trabajar" a las proteínas con un natural de isótopos $^{235}U$ e "defectuosa", con la pesada versión $^{238}U$ a través de algún mecanismo complejo, usted todavía tiene que extraer ese isótopo particular de la proteína.

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enedil Puntos 101

El problema con el uso de un método químico es que los isótopos tienen casi las mismas propiedades químicas. Cualquier cosa que usted puede hacer con agua se puede hacer de forma idéntica con el agua pesada. Las únicas diferencias reales son la masa y cualquier radiactividad la radiactividad proporciona. Por lo tanto la única forma efectiva para separar los isótopos es confiar en masa diferencias. Por desgracia, las diferencias en el comportamiento debido a la masa está muy por debajo del ruido térmico en la mayoría de las situaciones, así que tenemos que confiar en exóticos herramientas como las centrifugadoras para aumentar el efecto de la masa de las diferencias,

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