Isotooppien vaihto

Isotooppinen vaihto on prosessi, jossa kemiallisen alkuaineen stabiilit tai radioaktiiviset isotoopit jakautuvat spontaanisti uudelleen järjestelmän eri vaiheiden välillä. Ioninvaihto voi tapahtua:

saman aineen aggregaatiotilojen välillä
ainehiukkasten välillä (molekyylit, ionit)
molekyylien sisällä

Samaan aikaan aineet itse säilyttävät alkuainekoostumuksensa, vain isotooppikoostumus muuttuu. Esimerkiksi:

{\mathsf {^{14}NH_{4}^{+}+{}^{15}NH_{3}\rightleftarrows {}^{15}NH_{4}^{+}+{}^ {14}NH_{3}}}

{\mathsf {^{1}H^{1}HO+{}^{2}H^{2}HO\rightleftarrows 2{}^{1}H^{2}HO))

Isotooppisen vaihdon seurauksena järjestelmään muodostuu tasapaino, jossa isotoopit jakautuvat suunnilleen tasaisesti. Isotooppivaihto on siis kemiallinen reaktio, jolla ei ole lämpövaikutusta, yhtä suuri aktivointienergia eteenpäin- ja käänteisreaktioissa ja reaktion tasapainovakion lämpötilariippuvuuden puuttuminen. Kevyiden alkuaineiden isotooppien tapauksessa reaktion tasapainovakio voi kuitenkin isotooppivaikutuksen vuoksi poiketa arvosta 1. Järjestelmän tila, jossa isotoopit jakautuvat tasaisesti, vastaa järjestelmän maksimientropiaa.

Reaktiomekanismi

Isotoopinvaihtoreaktion mekanismi määrää suurelta osin sen nopeuden. Joten homogeeninen isotooppivaihto etenee dissosiatiivisen tai assosiatiivisen mekanismin mukaisesti elektroninsiirron tai atomiryhmien siirron reaktion mukaan:

{\mathsf {AgBr+Na^{*}Br\rightleftarrows Ag^{+}+Br^{-}+Na^{+}+^{*}Br^{-}\rightleftarrows Ag^{* }Br+NaBr}}

- AgBr:n ja Na*Br:n dissosiaatio liuoksessa

{\mathsf {FeBr_{3}+^{*}Br_{2}\rightleftarrows FeBr_{2}+Br+^{*}Br_{2}\rightleftarrows Fe*BrBr_{2}+Br_{2)) }

- FeBr 3 :n dissosiaatio

{\mathsf {C_{2}H_{5}I+Na^{*}I\rightleftarrows Na[C_{2}H_{5}I^{*}I]\rightleftarrows C_{2}H_{ 5}^{*}I+NaI}}

- C2H5I:n ja NaI : n yhdistäminen

{\mathsf {Tl^{+}Cl+^{*}Tl^{3+}Cl_{3}\rightleftarrows Tl^{3+}Cl_{3}+^{*}TlCl))

- redox-reaktio Tl + - ja *Tl3 + -ionien välillä

{\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}+^{*}CO_{2}\rightleftarrows Ca^{*}CO_{3}+CO_{2))))

- atomiryhmien vaihto

Reaktiokinetiikka

Isotooppivaihtoreaktion kineettinen yhtälö määrittää yleensä vaihtoasteen:

{\mathsf {F={\frac {(x_{t}-x_{0})}{(x_{\infty }-x_{0}))))))

, missä ovat vaihtavan isotoopin pitoisuudet ajanhetkellä 0, t ja tasajakaumalla. Jos t=0 x=0, niin

{\displaystyle {\mathsf {x_{0},x_{t},x_{\infty ))))

{\mathsf {F={\frac {x_{5}}{x_{\infty }}}}}

F:n riippuvuus puoliaikajaksosta määritetään kaavalla ${\displaystyle {\mathsf {\tau _{1/2))))$

{\displaystyle {\mathsf {-ln(1-F)={\frac {ln2}{\tau _{1/2)))))))

Tämä yhtälö mahdollistaa F määrittämisen kokeellisista tiedoista ja isotoopin vaihtokurssivakion löytämisen. ${\displaystyle {\mathsf {\tau _{1/2))))$

Toisen asteen isotoopin vaihtoreaktionopeus kuvataan yhtälöllä

{\mathsf {k={\frac {ln2}{\tau _{1/2}}}[{\frac {1}{a+b}}]}}

, jossa a ja b ovat isotooppia vaihtavien lähtöaineiden moolipitoisuudet.

Reaktionopeuden lämpötilariippuvuudesta määritetään reaktion aktivaatioenergia, josta voidaan arvioida ioninvaihtoreaktioihin osallistuvien atomien sidosvahvuus.

Heterogeenisten isotoopinvaihtoreaktioiden tapauksessa niiden nopeus riippuu isotoopin diffuusionopeudesta faasinvaihtopinnalle ja itse isotoopin vaihtonopeudesta. Kun kiinteää faasia sekoitetaan voimakkaasti nestemäisen tai kaasumaisen faasin kanssa, isotooppien vaihtonopeus määräytyy niiden diffuusionopeuden mukaan kiinteässä faasissa.

Sovellus

Isotoopinvaihtoreaktioita käytetään isotooppien erottamisessa, isotooppileimattujen yhdisteiden valmistuksessa sekä molekyylien rakenteen tutkimuksessa. Yksi vaihtoehdoista aineen alhaisten höyrynpaineiden tutkimiseksi perustuu tähän reaktioon.

Kirjallisuus

Knunyants I. L. et ai. , osa 2 Duff-Medi // Chemical Encyclopedia. - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1990. - 671 s. - 100 000 kappaletta. — ISBN 5-85270-035-5 .