同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

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1、第26卷第6期大學(xué)化學(xué)Vo1．26No．62011年12月UNIVERSrrYCHEMISTRYDeo．201l同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響劉秋華周再春(湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)系湖南湘潭411201)摘要比較同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、生理功能、光譜性能和核反應(yīng)性能等幾方面的影響，說明在教學(xué)和科研中關(guān)注同位素的重要性。關(guān)鍵詞同位素效應(yīng)純凈物單質(zhì)化合物1992年5月，美國食品和藥品管理局(FDA)就手性藥物頒發(fā)了指導(dǎo)原則，認(rèn)為手性藥物以單一對(duì)映體的形式能更好地控制病情，可以作為新藥提出申請(qǐng)，消旋體藥物的單一對(duì)映體為新的化學(xué)實(shí)體(NCE)。這

2、個(gè)信息告訴人們，化學(xué)物質(zhì)的任何一個(gè)“微小的”差異都可能導(dǎo)致其性質(zhì)的明顯差異。同種元素的同位素之間盡管只是中子數(shù)不一樣，但對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響卻不容忽視。中學(xué)教材在描述純凈物時(shí)，認(rèn)為同種物質(zhì)組成的是純凈物(puresubstance)，包括單質(zhì)和化合物，如氫氣、氧氣、氯酸鉀等，由此還推斷：純凈物具有固定的組成和性質(zhì)，包括具有固定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、密度和反應(yīng)性能等。但在科學(xué)昌盛的今天，對(duì)同位素之間在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異進(jìn)行研究的技術(shù)和手段層出不窮，將單質(zhì)或化合物籠統(tǒng)地作為純凈物來對(duì)待有很多不足。本文將從不同角度闡述同位素效應(yīng)的重要性。1同位素對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的影

3、響同位素對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，對(duì)于體積較大的原子，同位素差異對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不明顯；但對(duì)于體積較小的原子，這種影響就不能忽視了。以氫元素為例，氫有3種同位素，包括氕(H)、氘(D)和氚(T)。單質(zhì)氫氣主要含有H：，也包含D：、T：、HD、HT和DT等構(gòu)成形式。20世紀(jì)5O年代，科學(xué)家測(cè)定了諸如DO的鍵長、鍵角等微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示它們確有差異。通過Gaussian計(jì)算可獲得氫同位素形成的H：、D：和HDO的鍵長數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示鍵長z一比fD．．。長0．012A，而水分子中的f比f。一。短0．026A。鍵長的差異將直接影響其他鍵參數(shù)(如鍵離解能和鍵角)的差

4、異。表1列出了氫的3種同位素形成的部分化學(xué)鍵的解離能數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示：同類型同位素化學(xué)鍵之間的解離能有3～8kJ／tool的差異，這些差異很容易反映在有H、D和T參與的化學(xué)反應(yīng)中。H：、D和T的準(zhǔn)確相對(duì)分子質(zhì)量分別為2．0157、4．0282和6．0321，利用現(xiàn)代高分辨質(zhì)譜技術(shù)，能很容易準(zhǔn)確地測(cè)定和區(qū)分它們。現(xiàn)代的分析測(cè)試手段也可從更多方面證實(shí)同位素單質(zhì)或化合物之間結(jié)構(gòu)上的其他差異。2同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)基本物理性質(zhì)的影響同位素對(duì)單質(zhì)或化合物的許多物理性質(zhì)都有影響。在20世紀(jì)30年代，已對(duì)氘、重水等重要的輕元素同位素及其化合物的宏觀物理常數(shù)作了普遍測(cè)定，至今仍在

5、不斷補(bǔ)充和修正。這里主要比較同位素對(duì)物質(zhì)密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等的影響。氫氣是最輕的氣體，這對(duì)于H而言是正確的，但對(duì)于Dz和Tz而言就不對(duì)了，因?yàn)橄嗤瑮l件下，D：與He的密度一樣，而T的密度比He約大50％。而對(duì)于相應(yīng)的化合物水基金資助：湖南省有機(jī)化學(xué)精品課程建設(shè)項(xiàng)目；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21071051)；湖南省教育廳青年項(xiàng)目(10B031)萬方數(shù)據(jù)第6期劉秋華等：同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響65而言，DO分子相對(duì)于H：O分子，質(zhì)量略大，密度略大(1．1079g／cm)，冰點(diǎn)略高(3．82℃)，沸點(diǎn)也略高(101．42％)。這些都與D：O中D的相對(duì)質(zhì)量比H

6、大，D的氫鍵相對(duì)比較強(qiáng)有關(guān)，造成氫的同位素單質(zhì)或化合物之間存在明顯的性質(zhì)差異。表1氫同位素形成的共價(jià)鍵解離能鍵型DkJ．m0l鍵型D／kJ．mo1鍵型D／kJ·molH—H435．78H—D439．22H—N338．9D—D443．32H—T440．49D—N341．6T—T446．67D—T444．91T—N一一3同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)和功能的影響同位素物質(zhì)之間可以表現(xiàn)出各種性質(zhì)差異。同位素形成的化學(xué)鍵鍵能有差異，同位素之間質(zhì)量不同，這些都會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)速度，如D：O與Na的反應(yīng)速度小于H：O與Na的反應(yīng)速度，這種現(xiàn)象就是通常所說的同位素效應(yīng)。目前的同位素效

7、應(yīng)研究主要包括：熱力學(xué)同位素效應(yīng)、動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)、生物學(xué)同位素效應(yīng)和光譜同位素效應(yīng)。下面主要從這4個(gè)角度討論同位素效應(yīng)對(duì)物質(zhì)各種性質(zhì)的影響，其中光譜同位素效應(yīng)很可能為人們認(rèn)識(shí)元素核內(nèi)結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)核內(nèi)粒子的排布規(guī)律提供一個(gè)窗口。3．1熱力學(xué)同位素效應(yīng)對(duì)于輕元素同位素化合物的各種熱力學(xué)性質(zhì)已有精密測(cè)定J。熱力學(xué)同位素效應(yīng)研究中最重要的是對(duì)同位素交換反應(yīng)平衡常數(shù)的研究，已在實(shí)驗(yàn)和理論方面進(jìn)行了大量工作。熱力學(xué)同位素效應(yīng)是輕元素同位素分離的理論基礎(chǔ)，也是穩(wěn)定同位素化學(xué)的重要研究內(nèi)容。同位素分子因熱力學(xué)性質(zhì)不同而實(shí)現(xiàn)分離。精餾、化學(xué)交換、氣相色譜、離子交換、吸收、萃取

8、、分級(jí)結(jié)晶、超流動(dòng)性等，都是根據(jù)熱力學(xué)同位素效應(yīng)來進(jìn)