Ізотопний обмін — процес спонтанного перерозподілу стабільних або радіоактивних ізотопів деякого хімічного елемента між різними фазами системи. Ізотопний обмін може відбуватися:
між агрегатними станами однієї речовини між частинками речовини (молекулами, іонами) всередині молекул
При цьому самі речовини зберігають елементарний склад, змінюється тільки ізотопний склад. Наприклад:
Внаслідок ізотопного обміну в системі встановлюється рівновага з приблизно рівним розподілом ізотопів. Таким чином, ізотопний обмін являє собою хімічну реакцію з нульовим тепловим ефектом, рівними енергіями активації для прямої і зворотної реакцій і відсутністю залежності константи рівноваги реакції від температури. Однак у разі ізотопів легких елементів внаслідок ізотопного ефекту константа рівноваги реакції може відрізнятися від 1. Стан системи, в якій ізотопи розподілені рівномірно, відповідає найбільшій ентропії системи.
Механізм реакції Механізм реакції ізотопного обміну багато в чому визначає її швидкість. Так, гомогенний ізотопний обмін протікає за дисоціативним або асоціативним механізмом, за реакцією електронного перенесення або перенесення груп атомів:
— дисоціація AgBr і Na*Br в розчині
— диссоциация FeBr3
— асоціація C2H5I і NaI
— окисно-відновна реакція між іонами Tl и *Tl
— обмін групами атомів
Кінетика реакції Кінетичне рівняння реакції ізотопного обміну як правило визначає ступінь протікання обміну:
, де — концентрації ізотопу, що обмінюється, в моменти часу 0, t і за рівного розподілу. Якщо ж при t = 0 x = 0, то
Залежність F від періоду півобміну визначається за формулою
Це рівняння дозволяє визначити за експериментальними даними F і знайти константу швидкості іонного обміну.
Швидкість реакції іонного обміну другого порядку описується рівнянням
, де a і b — молярні концентрації реагентів, що обмінюються ізотопами.
З температурної залежності швидкості реакції визначається енергія активації реакції, з якої можна оцінити міцність зв'язку атомів, що беруть участь у реакціях ізотопного обміну.
У випадках реакцій гетерогенного обміну ізотопами їх швидкість залежить від швидкості дифузії ізотопів до поверхні обміну фаз і від швидкості самого ізотопного обміну. За інтенсивного перемішування твердої фази з рідкою або газоподібною швидкість обміну ізотопами визначається швидкістю їх дифузії у твердій фазі.
Застосування Реакції ізотопного обміну використовуються при розділенні ізотопів, отриманні мічених ізотопами сполук, а також під час вивчення будови молекул. На цій реакції ґрунтується один з варіантів дослідження низьких тисків пари речовини.
Література