Что значит "изотопный обмен"

самопроизвольное перераспределение изотопов между различными фазами вещества, его молекулами или внутри молекул. Используется, напр., для изучения химических соединений, синтеза меченых соединений, разделения изотопов.

химический процесс, заключающийся в перераспределении изотопов какого-либо элемента между реагирующими веществами. При И. о. происходит замещение одного изотопа какого-либо элемента на другой его изотоп в молекулах данного вещества без изменения их элементарного состава. Например, если хлористый водород HCl, обогащенный тяжёлым изотопом хлора 37Cl, смешать с хлором Cl2 обычного изотопного состава (75,53% 35Cl и 24,47% 37C1), то вследствие реакций И. о.

H37Cl + 35Cl2 = H35Cl + 35Cl37Cl

H37Cl + 35Cl37Cl = H35Cl + 37Cl2

хлор обогатится тяжёлым изотопом, а хлористый водород обеднится им.

Возможности протекания реакций И. о. весьма различны: они могут идти в гомогенных условиях (между растворённым веществом и растворителем, в смеси газов и т. д.), а также в гетерогенных (например, между твёрдым или жидким веществом и нерастворимым газом). Механизмы реакций И. о. не отличаются от механизмов других химических реакций.

Поскольку химические свойства изотопов одного и того же элемента почти одинаковы, а относительные различия в массах их атомов невелики (за исключением изотопов водорода), то при достижении химического равновесия И. о. каждый изотоп распределяется между реагирующими веществами почти равномерно. Для изотопов тяжёлых элементов неравномерность не превышает десятых долей процента, для изотопов лёгких элементов (от Li до Cl) не превышает 10%. Только для изотопов водорода неравномерность в распределении между некоторыми веществами достигает сотен процентов. Распределение изотопов между веществами в состоянии равновесия характеризуется коэффициентом распределения a, определяющим соотношение равновесных концентраций изотопов в реагирующих веществах. При равномерном распределении изотопов a = 1. Отклонение от равномерного распределения зависит не только от массы изотопов, но и от химического состава веществ, между которыми происходит И. о. Кроме того, a зависит от температуры и во всех случаях по мере её повышения приближается к 1. Скорость протекания И. о. всецело определяется механизмом реакций. В некоторых случаях И. о. протекает практически мгновенно (например, при ионных реакциях в растворе), в других случаях ≈ крайне медленно или же не происходит вовсе. Для ускорения И. о. так же, как и для других химических реакций, часто используют различные катализаторы.

И. о. применяют для концентрирования требуемого изотопа. Для этого многократно повторяют процесс обогащения этим изотопом одного из веществ при условии неравномерного распределения изотопов между веществами. Для изотопов водорода и лития, нашедших применение в атомной и термоядерной энергетике, такие методы получили промышленное использование. К ним относится, например, получение тяжёлой воды путём И. о. воды и сероводорода или И. о. воды и водорода:

1H2HS + 1H2O = 1H2S + 1H2HO

или

1H2H + 1H2O = 1H2 + 1H2HO.

В химических исследованиях И. о. применяют для выяснения элементарных стадий различных реакций. По скорости протекания И. о. можно иногда лучше, чем по другим реакциям, судить о подвижности атомов в молекулах и о реакционной способности химических соединений. И. о. используют также в препаративных работах для получения меченых соединений (см. Изотопные индикаторы ).

Лит.: Бродский А. И., Химия изотопов, 2 изд., М., 1957; Рогинский С. З., Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций, М., 1956.

С. Э. Вайсберг.

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
• внутри молекул

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

$\mathsf{^{14}NH_4^+ + {}^{15}NH_3 \rightleftarrows {}^{15}NH_4^+ + {}^{14}NH_3}$ $\mathsf{^1H^1HO + {}^2H^2HO \rightleftarrows 2{}^1H^2HO}$

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.