ИЗОТО́ПНЫЕ ЭФФЕ́КТЫ

ИЗОТО́ПНЫЕ ЭФФЕ́КТЫ, раз­ли­чия в свой­ст­вах нук­ли­дов од­но­го хи­мич. эле­мен­та (его изо­то­пов) или в свой­ст­вах про­стых ли­бо слож­ных ве­ществ, со­дер­жа­щих разл. изо­то­пы од­но­го эле­мен­та. И. э. ха­рак­тер­ны для т. н. изо­топ­но­за­мещён­ных ве­ществ (ве­ществ, имею­щих раз­ный изо­топ­ный со­став со­став­ляю­щих их хи­мич. эле­мен­тов), напр. для ме­та­на $\ce{CH_4}$ изо­топ­но­го со­ста­ва $\ce{^{12}C^1H_4}$ и $\ce{^{14}C^3H_4}$. Обыч­но И. э. вы­зва­ны раз­ли­чия­ми в мас­сах ядер раз­ных нук­ли­дов од­но­го и то­го же эле­мен­та. Та­кие И. э. наи­бо­лее вы­ра­же­ны у лёг­ких эле­мен­тов (во­до­ро­да, ге­лия, ли­тия, бе­рил­лия и др.). Ес­ли мо­ле­ку­ляр­ные мас­сы двух изо­топ­но­за­ме­щён­ных форм дан­но­го ве­ще­ст­ва обо­зна­чить че­рез $M_1$ и $M_2$, то И. э. дан­но­го ти­па пре­неб­ре­жи­мо ма­лы при сле­дую­щем ус­ло­вии: ($M_1-M_2)/M_1<0,01–0,03$. И. э. мо­гут быть обу­слов­ле­ны раз­ли­чия­ми не толь­ко мас­сы, но и иных ядер­ных ха­рак­те­ри­стик раз­ных нук­ли­дов од­но­го эле­мен­та, напр. ядер­но­го спи­на (спи­но­вый изо­топ­ный эф­фект), су­ще­ст­во­ва­ни­ем яв­ле­ния изо­ме­рии атом­ных ядер и др. К И. э. не от­но­сят раз­ли­чия в пе­рио­дах по­лу­рас­па­да и ти­пах ра­дио­ак­тив­но­го пре­вра­ще­ния раз­ных нук­ли­дов од­но­го и то­го же эле­мен­та.

Раз­ли­чия в мас­сах ядер при­во­дят к то­му, что раз­ные изо­топ­но­за­ме­щён­ные фор­мы ве­ще­ст­ва име­ют раз­ные фи­зич. свой­ст­ва: плот­ность, вяз­кость, дав­ле­ние на­сы­щен­но­го па­ра, ско­рость те­п­ло­во­го дви­же­ния, те­п­ло­про­вод­ность, те­п­ло­ём­кость, те­п­ло­ты ис­па­ре­ния и плав­ле­ния, темп-ры ки­пе­ния и плав­ле­ния и др. Так, для во­ды обыч­но­го изо­топ­но­го со­ста­ва $t$_пл 0 °C, плот­ность при 20 °C 999,87 кг/м³; для во­ды со­ста­ва $\ce{^2H_2O}$ (тя­жё­лой во­ды $\ce{D_2O}$) $t$_пл 3,81 °C, плот­ность при 20 °C 1104 кг/м³. И. э. про­яв­ля­ют­ся при пе­ре­хо­де в сверх­про­во­дя­щее или сверх­те­ку­чее со­стоя­ние (изо­то­пи­че­ский эф­фект), в ко­ле­ба­тель­ных и вра­ща­тель­ных спек­трах мо­ле­кул (изо­то­пи­че­ский сдвиг). Хи­мич. свой­ст­ва ве­ществ при изо­топ­ном за­ме­ще­нии в осн. не из­ме­ня­ют­ся, од­на­ко раз­ли­чия тер­мо­ди­на­мич. ха­рак­те­ри­стик изо­топ­но­за­ме­щён­ных форм при­во­дят к не­рав­но­мер­но­му рас­пре­де­ле­нию изо­то­пов ме­ж­ду хи­мич. со­еди­не­ния­ми при дос­ти­же­нии рав­но­ве­сия изо­топ­но­го об­ме­на (от­ли­чию кон­стант рав­но­ве­сия $K$ этих ре­ак­ций от 1) – тер­мо­ди­на­ми­че­ско­му изо­топ­но­му эф­фек­ту. Напр., для ре­ак­ции об­ме­на ато­ма­ми изо­то­пов во­до­ро­да $\ce{^1H}$ и $\ce{^2H}$ ме­ж­ду мо­ле­ку­ла­ми во­до­ро­да $\ce{H_2}$ и хло­ро­во­до­ро­да $\ce{HCl}$, ко­то­рой от­ве­ча­ет рав­но­ве­сие $\ce{^1H_2 + ^2HCl⇄^1H^2H + ^1HCl}$, при 25 °C зна­че­ние $K = 1,45$. С воз­рас­та­ни­ем атом­но­го но­ме­ра эле­мен­та $Z$ ве­ли­чи­на тер­мо­ди­на­мич. И. э. бы­ст­ро умень­ша­ет­ся. Так, для ана­ло­гич­ной ре­ак­ции изо­топ­но­го об­ме­на с уча­сти­ем изо­то­пов не ато­мов во­до­ро­да $(Z = 1)$, а ато­мов хло­ра $(Z = 17)$ $\ce{^{35}Cl_2 + H^{37}Cl⇄ H^{35}Cl + ^{35}Cl^{37}Cl}$ зна­че­ние $K =1,003$.

Из­ме­не­ние ско­ро­сти од­но­го и то­го же про­цес­са с уча­сти­ем раз­ных изо­то­пов дан­но­го эле­мен­та, изо­топ­но­за­ме­щён­ных мо­ле­кул или ио­нов на­зы­ва­ют ки­не­ти­че­ским И. э. Так, раз­де­ле­ние изо­то­пов ура­на $\ce{^{235}U}$ и $\ce{^{238}U}$ мо­жет быть ос­но­ва­но на том, что ско­рость пе­ре­ме­ще­ния (ско­рость диф­фу­зии) в по­рис­той сре­де мо­ле­кул изо­топ­но­го со­ста­ва $\ce{^{235}UF_6}$ не­мно­го боль­ше, чем чуть бо­лее тя­жё­лых мо­ле­кул со­ста­ва $\ce{^{238}UF_6}$. Др. про­яв­ле­ние ки­не­ти­че­ско­го И. э. – раз­ли­чия в ско­ро­стях хи­мич. ре­ак­ций с уча­сти­ем изо­топ­но­за­ме­щён­ных ве­ществ. Напр., ско­рость де­кар­бо­ни­ли­ро­ва­ния му­равь­и­ной ки­сло­ты изо­топ­но­го со­ста­ва $\ce{H^{14}COOH}$ при од­них и тех же ус­ло­ви­ях не­мно­го мень­ше, чем мо­ле­кул со­ста­ва $\ce{H^{12}COOH}$.

Раз­ли­чия в свой­ст­вах изо­то­пов ле­жат в ос­но­ве ме­то­дов изо­то­пов раз­де­ле­ния, по­зво­ля­ют про­во­дить изо­топ­ный ана­лиз.