Schimb de izotopi

Schimbul izotopic este procesul de redistribuire spontană a izotopilor stabili sau radioactivi ai unui element chimic între diferite faze ale sistemului. Schimbul de ioni poate avea loc:

între stările de agregare ale aceleiaşi substanţe
între particulele de materie (molecule, ioni)
în interiorul moleculelor

În același timp, substanțele în sine își păstrează compoziția elementară, doar compoziția izotopică se modifică. De exemplu:

{\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))

Ca rezultat al schimbului izotopic, se stabilește un echilibru în sistem cu o distribuție aproximativ egală a izotopilor. Astfel, schimbul de izotopi este o reacție chimică cu efect termic zero, energie de activare egală pentru reacțiile directe și inverse și absența dependenței de temperatură a constantei de echilibru a reacției. Totuși, în cazul izotopilor elementelor ușoare, datorită efectului izotop, constanta de echilibru a reacției poate diferi de 1. Starea sistemului în care izotopii sunt distribuiți uniform corespunde entropiei maxime a sistemului.

Mecanismul de reacție

Mecanismul reacției de schimb de izotopi determină în mare măsură viteza acesteia. Deci, un schimb omogen de izotopi se desfășoară conform unui mecanism disociativ sau asociativ, în funcție de reacția de transfer de electroni sau de transfer de grupuri de atomi:

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

- disocierea AgBr si Na*Br in solutie

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

- disocierea FeBr 3

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

- asocierea C2H5I şi NaI

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

- reactie redox intre ionii Tl + si *Tl 3+

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

- schimb de grupuri de atomi

Cinetica reacției

Ecuația cinetică a reacției de schimb izotopic determină de obicei gradul de schimb:

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

, unde sunt concentrațiile izotopului schimbător la momentele 0, t și cu o distribuție egală. Dacă la t=0 x=0, atunci

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

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

Dependența lui F de perioada de jumătate de timp este determinată de formula ${\mathsf {\tau _{1/2)}}$

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

Această ecuație face posibilă determinarea F din datele experimentale și găsirea constantei cursului de schimb izotop. ${\mathsf {\tau _{1/2)}}$

Viteza de reacție de schimb izotop de ordinul doi este descrisă de ecuație

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

, unde a și b sunt concentrațiile molare ale reactanților schimbători de izotopi.

Din dependența de temperatură a vitezei de reacție se determină energia de activare a reacției, din care se poate estima puterea de legătură a atomilor implicați în reacțiile de schimb ionic.

În cazul reacțiilor eterogene de schimb izotopic, viteza lor depinde de viteza de difuzie a izotopilor la suprafața schimbului de fază și de rata schimbului de izotop în sine. Când o fază solidă este amestecată intens cu una lichidă sau gazoasă, viteza schimbului de izotopi este determinată de viteza de difuzie a acestora în faza solidă.

Aplicație

Reacțiile de schimb de izotopi sunt utilizate în separarea izotopilor, în prepararea compușilor marcați izotopic și în studiul structurii moleculelor. Una dintre opțiunile pentru studierea presiunilor scăzute de vapori ale unei substanțe se bazează pe această reacție.

Literatură

Knunyants I. L. et al. vol. 2 Duff-Medi // Enciclopedia chimică. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1990. - 671 p. — 100.000 de exemplare. — ISBN 5-85270-035-5 .