Изотопные эффекты

изотопические эффекты, различия в свойствах изотопов данного элемента или в свойствах соединений, отличающихся изотопным составом, обусловленные разницей их атомных масс. Неодинаковые свойства изотопов, определяемые не массой, а другими характеристиками атомного ядра (проявляющиеся в радиоактивном распаде и т. п.), обычно не относятся к И. э.

Разница в массах изотопов обусловливает различие масс молекул, их моментов инерции, прочности соответствующих химических связей. Это приводит как к неравномерному распределению изотопов между химическими соединениями при достижении равновесия изотопного обмена (термодинамические И. э.), так и к неодинаковым скоростям одной и той же химической реакции, протекающей с участием разных изотопных форм реагирующих соединений (кинетические И. э.). Относительное различие масс изотопов тем меньше, чем больше атомный номер элемента. У изотопов водорода оно составляет 100% для дейтерия D (²H) и 200% для трития Т (³H) по сравнению с протием Н (¹H). Поэтому для водорода и гелия И. э. выражены наиболее сильно. К ним относятся, в частности, изотоническое смещение спектральных линий и эффекты, наблюдаемые при переходе в сверхпроводящее состояние и в состояние сверхтекучести.

Разница в массах изотопов данного элемента обусловливает неодинаковость свойств у изотопных форм химического соединения, содержащего этот элемент (таких, как плотность, показатель преломления, вязкость, коэффициент диффузии и др.). Вследствие И. э. изменяются также термодинамические свойства, такие, как теплоёмкость, теплопроводность, теплота испарения, теплота плавления, давление насыщенного пара при данной температуре и др., а также частоты колебания атомов в молекулах и в кристаллических решётках.

Использование изотопов в качестве изотопных индикаторов (См. Изотопные индикаторы) (меченых атомов) основано на представлении об идентичности физических и химических свойств изотопов данного элемента. Как показывает опыт, для многих изотопов это упрощающее представление близко к действительности, и для них величины И. э. (как кинетических, так и термодинамических) не выходят за пределы ошибок химического эксперимента. Однако для лёгких элементов различия в химических свойствах изотопов могут быть существенны. Это необходимо учитывать, когда в качестве меченых атомов используются изотопы лёгких элементов, особенно изотопы водорода — дейтерий или тритий. И. э. лежат в основе почти всех известных лабораторных и промышленных методов изотопов разделения (См. Изотопов разделение).

Я. М. Варшавский.

различия в св-вах изотопов данного элемента или в св-вах соед., содержащих разл. изотопы одного элемента (т. наз. изотопнозамещенных соед.). Чаше всего обусловлены различиями масс ядер изотопов (И. э. I рода), но м. б. вызваны также различиями и др. ядерных св-в (И. э. II рода). И. э. I рода выражены тем сильнее, чем больше относит. разность масс соответствующих изотопов. Поэтому такие И. э. наиб. выражены у легких элементов (Н, Не, Li, Be, В, С). Если относит. различия атомных масс изотопов или мол. масс M₁ и М ₂ двух изотопнозамещенных соед. малы [(М ₁ Ч М ₂)/М ₁ < 0,01 Ч 0,03], И. э. I рода пренебрежимо малы. И. э. проявляются в том, что в-ва, отличающиеся изотопным составом, имеют разные физ. св-ва. Так, ⁴ Не при сверхнизких т-рах переходит в сверхтекучее состояние, а ³ Не таким св-вом не обладает. Вода состава Н ₂ О имеет т. пл. 0°С, плотность при 20 °С 0,998 кг/дм ³, а для воды состава D₂O эти характеристики равны соотв. 3,82 °С и 1,104 кг/дм ³. И. э. подразделяют на термодинамич. и кинетические. К термодинамич. И. э. приводит нек-рое различие значений хим. потенциала в-в с изотопнозамещенными молекулами. Согласно статистич. термодинамике, это обусловлено различиями значений статистич. сумм изотопов и изотопнозамещенных молекул. Для разных изотопов одного элемента наблюдаются различия поступат. статистич. сумм; для двух-и многоатомных молекул разного изотопного состава еще и различия колебательной и вибрационной статистич. сумм. В результате термодинамич. св-ва в-в разного изотопного состава несколько разнятся между собой. Следствием этого является различие в равновесном распределении изотопов одного элемента между разными фазами, хим. формами и т. п. Константы равновесия Кр-ций изотопного обмена с участием атомов легких элементов заметно отличаются от 1. Так, при 25 °С для р-ции Н ₂ + DCl D НСl +HD К= 1,45. С ростом ат. н. элемента термодинамич. И. э. быстро уменьшается. Напр., при 25° К =1,003 для р-ции Н ³⁷ Сl + ¹/₂³⁵ Сl₂ D Н ³⁵ Сl + ¹/₂³⁷ Сl₂ и 1,0004 для аналогичной р-ции с участием ⁷⁹ Вr и ⁸¹ Вr. Кинетич. И. э. проявляются в различиях скоростей р-ций с участием разных изотопов данного элемента, изотопнозамещенных молекул или ионов. Различают межмол. и внутримол. И. э. Так, наблюдаемые константы скорости k₁ и k₂ декарбоксилирования малоновой к-ты разного изотопного состава

различаются из-за межмол. И. э., а значения k'₁ и k'₂ для р-ций

различаются из-за внутримол. И. э. В отличие от межмолекулярного, внутримол. И. э. не зависит от т-ры (подробнее см. Кинетический изотопный эффект). Разл. И. э. I рода лежат в основе большинства известных способов изотопов разделения. И. э. II рода обусловлены различиями таких св-в ядер, как спин, энергия g-квантов, испускаемых после захвата нейтрона, наличие изомерных состояний (см. Изомерия атомных ядер) и нек-рых др. Эти И. э. проявляются, напр., в неодинаковом распределении изотопов или ядерных изомеров между разл. хим. формами, содержащими ядра, к-рые образуются в результате захвата нейтронов. Так, после нейтронного облучения бромбензола содержание ⁸⁰ Вr в "материнской" форме на 10-15% ниже, чем ^80m Вr. И. э. могут приводить к различиям в частотах колебательных и вращательных спектров изотопнозамещенных соед.; эти различия наиб. существенны для молекул, содержащих изотопы водорода. Различия в энергиях основного квантового состояния атомных электронов, связанные с И. э., приводят, в частности, к разнице энергий диссоциации изотопнозамещенных молекул (напр., Н ₂, HD и D₂). Следует отметить, что различия в периодах полураспада T_1/2 радиоактивных изотопов данного элемента, а также в св-вах излучения, испускаемого ядрами при радиоактивном распаде, к И. э. относить не принято. Лит. см. при ст. Радиохимия. С. С. Бердоносов.