El fraccionamiento cinético es un proceso de fraccionamiento isotópico que separa los isótopos estables entre sí por su masa durante procesos unidireccionales. Los procesos biológicos son generalmente unidireccionales y son muy buenos ejemplos de reacciones isotópicas "cinéticas". Todos los organismos utilizan preferentemente isótopos más ligeros, porque los "costos energéticos" son menores, lo que da como resultado un fraccionamiento significativo entre el sustrato (más pesado) y el producto biológicamente mediado (más ligero). Por ejemplo, la fotosíntesis absorbe preferentemente el isótopo ligero del carbono 12 C durante la asimilación del CO 2 atmosférico . Este fraccionamiento isotópico cinético explica por qué el material vegetal (y, por lo tanto, los combustibles fósiles, que se derivan de las plantas) normalmente se agota en 13 C en un 25 por mil (2,5 %) en relación con la mayor parte del carbono inorgánico de la Tierra. [1]
Un ejemplo natural de fraccionamiento cinético no biológico ocurre durante la evaporación del agua de mar para formar nubes en condiciones en las que una parte del transporte es unidireccional, como la evaporación en aire muy seco. En este caso, las moléculas de agua más ligeras (es decir, aquellas con 16 O ) se evaporan ligeramente más fácilmente que las moléculas de agua más pesadas con 18 O ; esta diferencia será mayor de lo que sería si la evaporación tuviera lugar en condiciones de equilibrio (con transporte bidireccional).
Durante este proceso, los isótopos de oxígeno se fraccionan : las nubes se enriquecen con 16 O y el agua de mar se enriquece con 18 O. Mientras que el fraccionamiento de equilibrio hace que el vapor se empobrezca en aproximadamente 10 por mil (1 %) en 18 O en relación con el agua líquida, el fraccionamiento cinético mejora este fraccionamiento y a menudo hace que el vapor se empobrezca en aproximadamente 15 por mil (1,5 %). La condensación se produce casi exclusivamente por procesos de equilibrio, por lo que enriquece las gotitas de las nubes algo menos de lo que la evaporación empobrece el vapor. Esto explica parte de la razón por la que se observa que el agua de lluvia es isotópicamente más ligera que el agua de mar.
El isótopo pesado del hidrógeno en el agua, el deuterio ( 2H ), es mucho menos sensible al fraccionamiento cinético que los isótopos del oxígeno, en relación con el fraccionamiento de equilibrio muy grande del deuterio. Por lo tanto, el fraccionamiento cinético no agota el 2H tanto, en un sentido relativo, como el 18O . Esto da lugar a un exceso de deuterio en el vapor y la lluvia, en relación con el agua de mar. El valor de este "exceso de deuterio", como se lo llama, es de aproximadamente +10 por mil (1%) en la mayoría de las aguas meteóricas y su valor distinto de cero es una manifestación directa del fraccionamiento cinético de isótopos.
Un tratamiento generalizado de los efectos isotópicos cinéticos es a través de las ecuaciones GEBIK y GEBIF que describen los efectos isotópicos cinéticos transitorios . [2]