Изотопный обмен

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Изотопный обмен — процесс спонтанного перераспределения стабильных или радиоактивных изотопов какого-либо химического элемента между разными фазами системы. Ионный обмен может происходить:

  • между агрегатными состояниями одного и того же вещества
  • между частицами вещества (молекулами, ионами)
  • внутри молекул

При этом сами вещества сохраняют элементарный состав, меняется только изотопный состав. Например:

Вследствие изотопного обмена в системе устанавливается равновесие с примерно равным распределением изотопов. Таким образом, изотопный обмен представляет собой химическую реакцию с нулевым тепловым эффектом, равной энергией активации для прямой и обратной реакций и отсутствием зависимости константы равновесия реакции от температуры. Однако в случае изотопов лёгких элементов вследствие изотопного эффекта константа равновесия реакции может отличаться от 1. Состояние системы, в которой изотопы распределены равномерно, соответствует максимальной энтропии системы.

Механизм реакции

[править | править код]

Механизм реакции изотопного обмена во многом определяет её скорость. Так, гомогенный изотопный обмен протекает по диссоциативному или ассоциативному механизму, по реакции электронного переноса либо переноса групп атомов:

- диссоциация AgBr и Na*Br в растворе
- диссоциация FeBr3
- ассоциация C2H5I и NaI
- окислительно-восстановительная реакция между ионами Tl+ и *Tl3+
- обмен группами атомов

Кинетика реакции

[править | править код]

Кинетическое уравнение реакции изотопного обмена как правило определяет степень протекания обмена:

, где - концентрации обменивающегося изотопа в моменты времени 0, t и при равном распределении. Если же при t=0 x=0, то

Зависимость F от периода полуобмена определяется по формуле

Это уравнение позволяет определить по экспериментальным данным F и найти константу скорости изотопного обмена.

Скорость реакции изотопного обмена второго порядка описывается уравнением

, где a и b - молярные концентрации обменивающихся изотопами реагентов.

Из температурной зависимости скорости реакции определяется энергия активации реакции, из которой можно оценить прочность связи атомов, участвующих в реакциях ионного обмена.

В случаях реакций гетерогенного обмена изотопами их скорость зависит от скорости диффузии изотопов к поверхности обмена фаз и от скорости самого изотопного обмена. При интенсивном перемешивании твёрдой фазы с жидкой или газообразной скорость обмена изотопами определяется скоростью их диффузии в твёрдой фазе.

Применение

[править | править код]

Реакции изотопного обмена используются при разделении изотопов, получении меченых изотопами соединений, а также при изучении строения молекул. На этой реакции основывается один из вариантов исследования низких давлений паров вещества.

Литература

[править | править код]
  • Кнунянц И. Л. и др. т.2 Даффа-Меди // Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5.