同位素效应对物质结构和性质的影响

《同位素效应对物质结构和性质的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第26卷第6期大学化学Vo1．26No．62011年12月UNIVERSrrYCHEMISTRYDeo．201l同位素效应对物质结构和性质的影响刘秋华周再春(湖南科技大学化学化工学院化学系湖南湘潭411201)摘要比较同位素效应对物质的结构、物理化学性质、生理功能、光谱性能和核反应性能等几方面的影响，说明在教学和科研中关注同位素的重要性。关键词同位素效应纯净物单质化合物1992年5月，美国食品和药品管理局(FDA)就手性药物颁发了指导原则，认为手性药物以单一对映体的形式能更好地控制病情，可以作为新药提出申请，消旋体药物的单一对映体为新的化学实体(NCE)。这

2、个信息告诉人们，化学物质的任何一个“微小的”差异都可能导致其性质的明显差异。同种元素的同位素之间尽管只是中子数不一样，但对物质结构和性质的影响却不容忽视。中学教材在描述纯净物时，认为同种物质组成的是纯净物(puresubstance)，包括单质和化合物，如氢气、氧气、氯酸钾等，由此还推断：纯净物具有固定的组成和性质，包括具有固定的结构参数、熔点、沸点、密度和反应性能等。但在科学昌盛的今天，对同位素之间在结构和性质上的差异进行研究的技术和手段层出不穷，将单质或化合物笼统地作为纯净物来对待有很多不足。本文将从不同角度阐述同位素效应的重要性。1同位素对物质结构的影

3、响同位素对物质的结构会产生一定的影响，对于体积较大的原子，同位素差异对结构的影响不明显；但对于体积较小的原子，这种影响就不能忽视了。以氢元素为例，氢有3种同位素，包括氕(H)、氘(D)和氚(T)。单质氢气主要含有H：，也包含D：、T：、HD、HT和DT等构成形式。20世纪5O年代，科学家测定了诸如DO的键长、键角等微观结构数据，结果显示它们确有差异。通过Gaussian计算可获得氢同位素形成的H：、D：和HDO的键长数据，结果显示键长z一比fD．．。长0．012A，而水分子中的f比f。一。短0．026A。键长的差异将直接影响其他键参数(如键离解能和键角)的差

4、异。表1列出了氢的3种同位素形成的部分化学键的解离能数据。结果显示：同类型同位素化学键之间的解离能有3～8kJ／tool的差异，这些差异很容易反映在有H、D和T参与的化学反应中。H：、D和T的准确相对分子质量分别为2．0157、4．0282和6．0321，利用现代高分辨质谱技术，能很容易准确地测定和区分它们。现代的分析测试手段也可从更多方面证实同位素单质或化合物之间结构上的其他差异。2同位素效应对物质基本物理性质的影响同位素对单质或化合物的许多物理性质都有影响。在20世纪30年代，已对氘、重水等重要的轻元素同位素及其化合物的宏观物理常数作了普遍测定，至今仍在

5、不断补充和修正。这里主要比较同位素对物质密度、熔点、沸点等的影响。氢气是最轻的气体，这对于H而言是正确的，但对于Dz和Tz而言就不对了，因为相同条件下，D：与He的密度一样，而T的密度比He约大50％。而对于相应的化合物水基金资助：湖南省有机化学精品课程建设项目；国家自然科学基金项目(21071051)；湖南省教育厅青年项目(10B031)万方数据第6期刘秋华等：同位素效应对物质结构和性质的影响65而言，DO分子相对于H：O分子，质量略大，密度略大(1．1079g／cm)，冰点略高(3．82℃)，沸点也略高(101．42％)。这些都与D：O中D的相对质量比H

6、大，D的氢键相对比较强有关，造成氢的同位素单质或化合物之间存在明显的性质差异。表1氢同位素形成的共价键解离能键型DkJ．m0l键型D／kJ．mo1键型D／kJ·molH—H435．78H—D439．22H—N338．9D—D443．32H—T440．49D—N341．6T—T446．67D—T444．91T—N一一3同位素效应对物质性质和功能的影响同位素物质之间可以表现出各种性质差异。同位素形成的化学键键能有差异，同位素之间质量不同，这些都会影响化学反应速度，如D：O与Na的反应速度小于H：O与Na的反应速度，这种现象就是通常所说的同位素效应。目前的同位素效

7、应研究主要包括：热力学同位素效应、动力学同位素效应、生物学同位素效应和光谱同位素效应。下面主要从这4个角度讨论同位素效应对物质各种性质的影响，其中光谱同位素效应很可能为人们认识元素核内结构和发现核内粒子的排布规律提供一个窗口。3．1热力学同位素效应对于轻元素同位素化合物的各种热力学性质已有精密测定J。热力学同位素效应研究中最重要的是对同位素交换反应平衡常数的研究，已在实验和理论方面进行了大量工作。热力学同位素效应是轻元素同位素分离的理论基础，也是稳定同位素化学的重要研究内容。同位素分子因热力学性质不同而实现分离。精馏、化学交换、气相色谱、离子交换、吸收、萃取

8、、分级结晶、超流动性等，都是根据热力学同位素效应来进