Izotópcsere

Az izotópcsere egy kémiai elem stabil vagy radioaktív izotópjainak spontán újraeloszlásának folyamata a rendszer különböző fázisai között. Az ioncsere történhet:

ugyanazon anyag aggregációs állapotai között
anyagrészecskék (molekulák, ionok) között
molekulák belsejében

Ugyanakkor maguk az anyagok megtartják elemi összetételüket, csak az izotópösszetétel változik. Például:

{\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))

Az izotópcsere eredményeként a rendszerben egyensúly jön létre, az izotópok megközelítőleg egyenlő eloszlásával. Az izotópcsere tehát nulla termikus hatású kémiai reakció, amelynek aktiválási energiája egyenlő az előre és fordított reakciókhoz, és nincs hőmérsékletfüggő a reakció egyensúlyi állandója. A könnyű elemek izotópjainál azonban az izotóphatás miatt a reakció egyensúlyi állandója eltérhet 1-től. A rendszer állapota, amelyben az izotópok egyenletesen oszlanak el, megfelel a rendszer maximális entrópiájának.

Reakció mechanizmus

Az izotópcsere-reakció mechanizmusa nagymértékben meghatározza annak sebességét. Tehát a homogén izotópcsere disszociatív vagy asszociatív mechanizmus szerint megy végbe, az elektronátvitel vagy az atomcsoportok átvitelének reakciója szerint:

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

- AgBr és Na*Br disszociációja oldatban

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

- a FeBr 3 disszociációja

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

- C 2 H 5 I és NaI asszociációja

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

- redox reakció a Tl + és *Tl 3+ ionok között

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

- atomcsoportok cseréje

Reakciókinetika

Az izotópcsere-reakció kinetikai egyenlete általában meghatározza a kicserélődés mértékét:

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

, ahol a kicserélő izotóp koncentrációi 0, t időpontban és egyenlő eloszlás mellett. Ha t=0-nál x=0, akkor

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

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

F függését a félidőtől a képlet határozza meg ${\displaystyle {\mathsf {\tau _{1/2))))$

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

Ez az egyenlet lehetővé teszi az F meghatározását a kísérleti adatokból és az izotóp-árfolyam-állandó meghatározását. ${\displaystyle {\mathsf {\tau _{1/2))))$

A másodrendű izotópcsere reakciósebességét az egyenlet írja le

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

, ahol a és b az izotópcserélő reagensek moláris koncentrációja.

A reakciósebesség hőmérséklet-függéséből meghatározzák a reakció aktiválási energiáját, amelyből megbecsülhető az ioncsere reakciókban részt vevő atomok kötéserőssége.

Heterogén izotópcsere-reakciók esetén ezek sebessége függ az izotóp diffúziójának sebességétől a fáziscsere felületre, és magától az izotópcsere sebességétől. Ha egy szilárd fázist intenzíven keverünk folyékony vagy gázneművel, az izotópcsere sebességét a szilárd fázisban való diffúzió sebessége határozza meg.

Alkalmazás

Az izotópcsere-reakciókat az izotópok szétválasztásánál, az izotóppal jelölt vegyületek előállításánál, valamint a molekulák szerkezetének vizsgálatánál alkalmazzák. Egy anyag alacsony gőznyomásának tanulmányozásának egyik lehetősége ezen a reakción alapul.

Irodalom

Knunyants I. L. et al. , 2. kötet, Duff-Medi // Chemical Encyclopedia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1990. - 671 p. — 100.000 példány. — ISBN 5-85270-035-5 .