Intercambio de isótopos

El intercambio isotópico es el proceso de redistribución espontánea de isótopos estables o radiactivos de un elemento químico entre diferentes fases del sistema. El intercambio iónico puede tener lugar:

entre estados de agregación de una misma sustancia
entre partículas de materia (moléculas, iones)
dentro de las moléculas

Al mismo tiempo, las sustancias mismas conservan su composición elemental, solo cambia la composición isotópica. Por ejemplo:

{\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))

Como resultado del intercambio isotópico, se establece un equilibrio en el sistema con una distribución aproximadamente igual de isótopos. Por lo tanto, el intercambio de isótopos es una reacción química con efecto térmico cero, energía de activación igual para las reacciones directa e inversa y la ausencia de dependencia de la temperatura de la constante de equilibrio de la reacción. Sin embargo, en el caso de isótopos de elementos ligeros, debido al efecto isotópico, la constante de equilibrio de la reacción puede diferir de 1. El estado del sistema en el que los isótopos se distribuyen uniformemente corresponde a la entropía máxima del sistema.

Mecanismo de reacción

El mecanismo de la reacción de intercambio de isótopos determina en gran medida su velocidad. Entonces, un intercambio isotópico homogéneo procede según un mecanismo disociativo o asociativo, según la reacción de transferencia de electrones o transferencia de grupos de átomos:

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

- disociación de AgBr y Na*Br en solución

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

- disociación de 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}}

- asociación de C 2 H 5 I y NaI

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

- reacción redox entre los iones Tl + y *Tl 3+

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

- intercambio de grupos de átomos

Cinética de reacción

La ecuación cinética de la reacción de intercambio de isótopos generalmente determina el grado de intercambio:

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

, donde son las concentraciones del isótopo intercambiador en los tiempos 0, t y con igual distribución. Si en t=0 x=0, entonces

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

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

La dependencia de F en el medio tiempo está determinada por la fórmula ${\ Displaystyle {\ mathsf {\ tau _ {1/2}}}}$

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

Esta ecuación permite determinar F a partir de datos experimentales y encontrar la constante de tasa de intercambio de isótopos. ${\ Displaystyle {\ mathsf {\ tau _ {1/2}}}}$

La tasa de reacción de intercambio de isótopos de segundo orden se describe mediante la ecuación

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

, donde a y b son las concentraciones molares de reactivos de intercambio de isótopos.

A partir de la dependencia de la temperatura de la velocidad de reacción, se determina la energía de activación de la reacción, a partir de la cual es posible estimar la fuerza de enlace de los átomos involucrados en las reacciones de intercambio iónico.

En los casos de reacciones heterogéneas de intercambio de isótopos, su velocidad depende de la velocidad de difusión del isótopo a la superficie de intercambio de fases y de la velocidad del intercambio de isótopos en sí. Cuando una fase sólida se mezcla intensamente con una líquida o gaseosa, la tasa de intercambio de isótopos está determinada por la tasa de su difusión en la fase sólida.

Aplicación

Las reacciones de intercambio de isótopos se utilizan en la separación de isótopos, en la preparación de compuestos marcados isotópicamente y en el estudio de la estructura de las moléculas. Una de las opciones para estudiar las bajas presiones de vapor de una sustancia se basa en esta reacción.

Literatura

Knunyants I. L. y otros Vol. 2 Duff-Medi // Enciclopedia química. - M. : Enciclopedia soviética, 1990. - 671 p. — 100.000 copias. — ISBN 5-85270-035-5 .