Isótopos de oxígeno

Existen tres isótopos estables conocidos del oxígeno ( _8O ): ¹⁶O , ¹⁷O y ¹⁸Se conocen radioisótopos desde 11O ^hasta 28O ⁽ ligados a partículas desde el número másico 13 hasta 24), y los más estables son ¹⁵O con una vida media de 122,27 segundos y ¹⁴O con una vida media de 70,62 segundos. Todos los radioisótopos restantes tienen una vida media aún más corta. Los cuatro isótopos más pesados ​​conocidos (hasta ²⁸O ) desintegración por emisión de neutrones a ²⁴O , cuya vida media es de 77 milisegundos; ²⁴ O, junto con ²⁸ Ne , se han utilizado en el modelo de reacciones en la corteza de las estrellas de neutrones. ^{[ 4 ]} El modo de desintegración más común para los isótopos más ligeros que los isótopos estables es la desintegración β ⁺ a nitrógeno , y el modo más común después es la desintegración β ⁻ a flúor .

Oxygen-14 (half-life 70.62 seconds) is the second most stable radioisotope of oxygen, and decays by positron emission to nitrogen-14.

Oxygen-14 ion beams are of interest to researchers of proton-rich nuclei; for example, one early experiment at the Facility for Rare Isotope Beams in East Lansing, Michigan, produced a ¹⁴O beam by proton bombardment of ¹⁴N,^[12][13] using it to determine the absolute strength of the electron capture transition.

Oxygen-15 (half-life 122.27 seconds) is the most stable radioisotope of oxygen, decaying by positron emission to nitrogen-15.

It is thus the isotope of oxygen used in positron emission tomography (PET). It can be used in, among other things, water for PET myocardial perfusion imaging and for brain imaging.^[14][15] It is produced for this application through deuteron bombardment of nitrogen-14 using a cyclotron.^[16]

¹⁴N + ²H → ¹⁵O + n

Oxygen-15 and nitrogen-13 are produced in air when gamma rays (for example from lightning) knock neutrons^[17] out of ¹⁶O and ¹⁴N:^[18]

¹⁶O + γ → ¹⁵O + n

¹⁴N + γ → ¹³N + n

¹⁵O decays to ¹⁵N , que emite un positrón . El positrón se aniquila rápidamente con un electrón, produciendo dos rayos gamma de aproximadamente 511  keV. Después de un rayo, esta radiación gamma se atenúa con una vida media de 2  minutos, pero estos rayos gamma de baja energía viajan en promedio solo unos 90 metros a través del aire. Junto con los rayos producidos por los positrones del nitrógeno-13, solo pueden detectarse durante un minuto aproximadamente como la "nube" de ¹⁵O y ¹³N flota, llevado por el viento. ^{[ 9 ]}

El oxígeno-16 (símbolo: ¹⁶ O o ¹⁶ ₈ O ) es un isótopo estable del oxígeno, con 8 neutrones y 8 protones en su núcleo , lo que lo convierte en un nucleido doblemente mágico . Es el isótopo más abundante del oxígeno, representando aproximadamente el 99,76 % de todo el oxígeno.

Las abundancias relativas y absolutas de oxígeno-16 son altas porque es un producto principal de la evolución estelar . Puede ser producido por estrellas que inicialmente estaban compuestas exclusivamente de hidrógeno . ^{[ 19 ]} La mayor parte del oxígeno-16 se sintetiza al final del proceso de fusión de helio en las estrellas. El proceso triple alfa crea carbono-12, que captura helio-4 adicional para producir oxígeno-16. También se crea mediante el proceso de combustión de neón .

Antes de la definición del dalton basada en ¹²C , una unidad de masa atómica se definió como un dieciseisavo de la masa de un átomo de oxígeno-16. ^{[ 20 ]} Dado que los físicos se referían a ¹⁶Solo que , si bien los químicos se referían a la mezcla natural de isótopos, esto dio lugar a escalas de masa ligeramente diferentes.

El oxígeno-17 ( ^17O ) es el más raro de los tres isótopos estables del oxígeno, con una baja abundancia isotópica de aproximadamente 0,038% = 380 ppm en el agua y el aire terrestres. Naturalmente, ^{el 17O}El O se produce principalmente mediante la combustión de hidrógeno en helio en el ciclo CNO , lo que lo convierte en un isótopo común en las zonas de combustión de hidrógeno de las estrellas. ^{[ 19 ]}

Como único isótopo estable de oxígeno que posee un espín nuclear (+ 5 ⁄ 2 ) y una característica favorable de relajación independiente del campo en agua líquida, a través de un estrechamiento de movimiento extremo. ¹⁷ O permite estudios de RMN que rastrean vías metabólicas oxidativas (es decir, conversión de gas ¹⁷ O ₂ a agua H ₂ ^{17 O producida metabólicamente por} fosforilación oxidativa en mitocondrias ^{[ 21 ]} ) en campos magnéticos altos. Este es un requisito necesario para superar la baja SNR de baja abundancia, baja relación giromagnética y rápida relajación transversal cuadrupolar en contraste con protón/hidrógeno, que es el núcleo más comúnmente utilizado en resonancia magnética .

El agua utilizada como refrigerante de reactores nucleares está sometida a un intenso flujo de neutrones . El agua natural contiene inicialmente un 0,038 % de ^17O ; el agua pesada, en cambio, se enriquece incidentalmente hasta aproximadamente un 0,055 % en dicho isótopo. Además, el flujo de neutrones convierte lentamente ^{el 16O} del agua de refrigeración en ^17O mediante captura de neutrones , aumentando así su concentración. El flujo de neutrones también convierte lentamente ^{el 17O (con} una sección transversal mucho mayor ) del agua de refrigeración en carbono-14 , un producto indeseable que puede escapar al medio ambiente.

¹⁷ O (n,α) → ¹⁴ C

Algunas instalaciones de eliminación de tritio se encargan de reemplazar el oxígeno del agua con oxígeno natural (principalmente ¹⁶ O) para obtener el beneficio adicional de reducir la producción ^{de 14} C. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

El isótopo fue hipotetizado por primera vez y posteriormente visualizado por Patrick Blackett en el laboratorio de Rutherford en 1925: ^{[ 24 ]} Fue un producto de la primera transmutación artificial de ¹⁴ N y ⁴ He ²⁺ realizada por Frederick Soddy y Ernest Rutherford en 1917–1919. ^{[ 25 ]} Su presencia en la atmósfera terrestre fue detectada más tarde en 1929 por Giauque y Johnson en espectros de absorción, ^{[ 26 ]} demostrando su existencia natural.

Oxígeno-18 ( ¹⁸O , Ω ^{[ 27 ]} ) es uno de los isótopos estables del oxígeno , con una abundancia aproximada del 0,20%, y se considera uno de los isótopos ambientales . La mayoría ¹⁸O se produce cuando ¹⁴N (que se produce en abundancia a partir de la combustión de CNO) captura un ⁴El núcleo, convirtiéndose en ¹⁸F. Este beta se desintegra rápidamente (vida media de alrededor de 110 minutos)a ¹⁸O haciendo que ese isótopo sea común en las zonas ricas en helio de las estrellas. ^{[ 19 ]} Se necesitan temperaturas del orden de 10 ⁹ kelvin para fusionar oxígeno en azufre . ^{[ 28 ]} 

El flúor-18 se produce generalmente mediante la irradiación de agua enriquecida con 18O ^con protones de alta energía (aproximadamente 18 MeV ) preparados en un ciclotrón o un acelerador lineal , lo que da como resultado una solución acuosa que contiene ^18F como ion fluoruro. Esta solución se utiliza posteriormente para la síntesis rápida de una molécula marcada , a menudo con el átomo de flúor sustituyendo a un grupo hidroxilo . Las moléculas marcadas o radiofármacos deben sintetizarse después de la preparación del radioflúor, ya que la radiación de protones de alta energía destruiría las moléculas. Se utilizan grandes cantidades de agua enriquecida con oxígeno-18 en centros de tomografía por emisión de positrones para la producción in situ de fluorodesoxiglucosa (FDG) marcada con ^18F . ^{[ 29 ]}

Mediciones de la relación ¹⁸ O/ ¹⁶ O (conocida como δ ¹⁸O ) se utilizan a menudo en paleoclimatología . Las moléculas de agua con un isótopo más ligero tienen una probabilidad ligeramente mayor de evaporarse y una probabilidad menor de caer como precipitación , por lo que el agua dulce de la Tierra y el hielo polar tienen una probabilidad ligeramente menor (0,1981% ) ¹⁸O que el aire (0,204% ) o agua de mar (0,1995 % ). ^{[ 30 ]} Esta disparidad permite el estudio de patrones históricos de temperatura mediante el análisis de núcleos de hielo . Suponiendo que la circulación atmosférica y la elevación no han cambiado significativamente sobre los polos, la temperatura de formación de hielo se puede calcular como fraccionamiento de equilibrio entre fases de agua que se conoce para diferentes temperaturas. Las moléculas de agua también están sujetas al fraccionamiento de Rayleigh a medida que el agua atmosférica se mueve desde el ecuador hacia los polos, lo que resulta en un agotamiento progresivo de ¹⁸O , o δ ^{18 inferior}Valores O. ^{[ 31 ]}

El δ ¹⁸La relación isotópica de oxígeno también puede utilizarse en paleotermometría para ciertos tipos de fósiles . El material fósil utilizado suele ser calcita o aragonita ; sin embargo, también se ha realizado paleotermometría de isótopos de oxígeno en fósiles fosfáticos mediante SHRIMP . ^{[ 32 ]} Para determinar las temperaturas oceánicas a lo largo del tiempo geológico, se medirían múltiples fósiles de la misma especie en diferentes capas estratigráficas , y la diferencia entre ellos indicaría cambios a largo plazo. ^{[ 33 ]}

^{El 18O} también se ha utilizado para rastrear la composición y la temperatura del océano de donde provienen los mariscos . ^{[ 34 ]}

En el estudio de la fotorrespiración de las plantas , el marcaje de la atmósfera con oxígeno-18 permite medir la captación de oxígeno por la vía de la fotorrespiración. Marcaje con ¹⁸O₂ da el flujo unidireccional deO₂ absorción, mientras que hay una fotosíntesis neta ¹⁶O_2. Evolución. Se demostró que, en condiciones atmosféricas preindustriales, la mayoría de las plantas reabsorben, mediante fotorrespiración, la mitad del oxígeno producido porla fotosíntesis. Posteriormente, el rendimiento de la fotosíntesis se redujo a la mitad debido a la presencia de oxígeno en la atmósfera. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

El oxígeno-20 tiene una vida media de13,51 ± 0,05  s y se desintegra por desintegración β ⁻ a ²⁰ F . Es una de las partículas eyectadas por desintegración de cúmulos conocidas , siendo emitida en la desintegración de ²²⁸ Th con una relación de ramificación de aproximadamente(1,13 ± 0,22) × 10 ⁻¹³ . ^{[ 37 ]}

• Efecto Dole

Productos secundarios distintos del oxígeno

• Isótopos del flúor
• Isótopos del nitrógeno
• Isótopos del carbono
• Isótopos del helio