同位素效應是指同位素是同一元素的化學性質相同,但原子量不同的原子,因此不能用化學方法將其分開，在觀察原子光譜時能發現有微小的差異,這種效應稱為同位素效應。
基本介紹
- 中文名：同位素效應
- 外文名：isotopic effect
- 提出者：H.弗羅利希
- 套用學科：化學
定義,第一類同位素效應,第二類同位素效應,歷史發展,光譜同位素效應,熱力學同位素效應,動力學同位素效應,生物學同位素效應,
定義
由於質量或自旋等核性質的不同而造成同一元素的同位素原子（或分子）之間物理和化學性質有差異的現象。同位素效應指的是同一元素的同位素或者含該元素不同同位素的化合物（又稱同位素置換化合物）在性質上的差異。這些差異，可以表現在物理性質上，也可以表現在化學性質上，還可以是核性質上。過去說同一種元素的原子物理、化學性質相同，是不準確的。儘管核電荷決定了元素的基本的物理和化學性質，但同一元素不同同位素間的性質的差異是存在的，還可能很大。可分為第一類同位素效應（同位素質量差異所導致的）和第二類同位素效應（同位素核性質上的差異引起的）。
第一類同位素效應
由同位素質量差異所導致的同位素效應。
顯然，對輕元素，由於質量差異相對於本身質量引起的相對的質量變化大，質量差異引起的同位素效應比重元素明顯。利用這些效應，可把同位素分離開或進行量測。如利用重水（2H2O，或寫成D2O）和輕水（1H2O）在物理性質上就存在如下表的差異：在日常生活中，這些差異是覺察不到的。
由質量不同引起的效應，導致在很多方面同位素表現的不同。同位素在不同相或不同化學形式之間分布有差異，稱之為熱力學效應；用元素其它同位素置換分子中一個原子的化學反應速度不同，稱之為動力學效應。當置換的化學反應涉及化學鍵斷裂或形成所觀察到的效應，叫一級效應；不涉及化學鍵斷裂或形成時叫二級效應。同位其化合物同位素成分不同致使生物的生長代謝不同，是生物學效應。如，在濃度比較高的重水中，蝌蚪、金魚會迅速死亡。
第二類同位素效應
由同位素核性質上的差異引起。雖然同位素的核電荷相同，但中子數不同會產生一系列核性質上的不同，包括核半徑、核自旋、結合能、磁矩和四級矩、激發態譜、核反應截面等等。
歷史發展
對於氘、重水等重要的輕元素同位素及其化合物的巨觀物理常數，在20世紀30年代雖已作了普遍測定，至今仍不斷補充和修正。50年代測定了諸如 DO的鍵長、鍵角等微觀結構數據。70年代以來，開始深入到同位素取代異構分子的研究。動力學同位素效應的研究也深入到生命過程的研究中。同位素效應可分為光譜同位素效應、熱力學同位素效應、動力學同位素效應和生物學同位素效應。
光譜同位素效應
同位素核質量的不同使原子或分子的能級發生變化，引起原子光譜或分子光譜的譜線位移。核自旋的不同，引起光譜精細結構的變化。如果分子中某些元素一部分被不同的同位素取代，從而破壞了分子的對稱性，則能引起譜線分裂，並在紅外光譜和併合散射光譜的振動結構中出現新的譜線和譜帶。早期研究中曾通過分子光譜和原子光譜發現新的同位素和進行同位素分析。後來光譜同位素效應主要用於研究分子的微觀結構。
熱力學同位素效應
同位素質量的相對差別越大，所引起的物理和化學性質上的差別也越大。對於輕元素同位素化合物的各種熱力學性質已作過足夠精密的測定。熱力學同位素效應研究中最重要的，是同位素交換反應平衡常數的研究，已在實驗和理論方面進行了大量工作。蒸氣壓同位素效應也很重要，已可半定量地進行理論計算。熱力學同位素效應是輕元素同位素分離的理論基礎，也是穩定同位素化學的主要研究內容。
動力學同位素效應
在化學反應過程中，反應物因同位素取代而改變了能態，從而引起化學反應速率的差異。1933年G.N.路易斯等用電解水的方法獲得接近純的重水，證實同位素取代對化學反應速率確有影響。
大多數元素的動力學同位素效應很小，但對於氫和氘，動力學同位素效應較大，它們的分離係數=H/D可以達到2～10左右，式中為化學反應速率常數。
動力學同位素效應分為一級同位素效應和二級同位素效應。一級同位素效應：在決定速率步驟中與同位素直接相連的鍵發生了斷裂的反應中所觀察到的同位素效應，其KH/KD通常在2或更高。二級同位素效應：在決定速率步驟中與同位素直接相連的鍵不發生斷裂，而是分子中其他化學鍵發生變化所觀察到的效應，其KH/KD通常在0.7-1.5範圍內。
早期動力學同位素效應是用經典的碰撞理論來解釋的。1949年J.比格爾艾森建立了動力學同位素效應的統計理論。在溶液中進行的化學反應，由於溶劑的同位素取代，而產生溶劑同位素效應。動力學同位素效應是分離同位素的重要根據之一，還可用來研究化學反應機理和溶液理論。
生物學同位素效應
1933～1934年，路易斯首先試驗了菸草種子在重水中的發芽情況，發現隨著重水濃度增高，發芽速度迅速降低；後來又發現，蝌蚪、金魚在濃重水中迅速死亡。大麥粒在發芽時優先吸收輕水，剩液中富集了重水；鋰被酵母吸收後,也可以富集鋰6。以上均表明發生了同位素的生物學分離。
在生物學同位素效應中，以氘的效應最為顯著。一般認為，在重水中生化反應速率減慢,對於大的機體,重水的作用往往是局部的,從而破壞了整體的代謝機能,導致病態以至死亡。
