Изотопный обмен

Определение "Изотопный обмен" в Большой Советской Энциклопедии

Изотопный обмен, химический процесс, заключающийся в перераспределении изотопов какого-либо элемента между реагирующими веществами. При Изотопный обмен 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 Изотопный обмен

H³⁷Cl + ³⁵Cl₂ = H³⁵Cl + ³⁵Cl³⁷Cl

H³⁷Cl + ³⁵Cl³⁷Cl = H³⁵Cl + ³⁷Cl₂
хлор обогатится тяжёлым изотопом, а хлористый водород обеднится им.

Возможности протекания реакций Изотопный обмен 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 Изотопный обмен 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 Изотопный обмен 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 Изотопный обмен Кроме того, a зависит от температуры и во всех случаях по мере её повышения приближается к 1. Скорость протекания Изотопный обмен всецело определяется механизмом реакций. В некоторых случаях Изотопный обмен протекает практически мгновенно (например, при ионных реакциях в растворе), в других случаях — крайне медленно или же не происходит вовсе. Для ускорения Изотопный обмен так же, как и для других химических реакций, часто используют различные катализаторы.

Изотопный обмен 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 Изотопный обмен воды и сероводорода или Изотопный обмен воды и водорода:

¹H²HS + ¹H₂O = ¹H₂S + ¹H²HO
или

¹H²H + ¹H₂O = ¹H₂ + ¹H²HO.

В химических исследованиях Изотопный обмен применяют для выяснения элементарных стадий различных реакций. По скорости протекания Изотопный обмен можно иногда лучше, чем по другим реакциям, судить о подвижности атомов в молекулах и о реакционной способности химических соединений. Изотопный обмен 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.