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同位素效应对物质结构和性质的影响-大学化学

第26卷 第6期 摇 摇 大 学 化 学 Vol.26 No.6 摇 2011年12月 UNIVERSITY CHEMISTRY Dec.2011 摇 同位素效应对物质结构和性质的影响* 刘秋华摇 周再春 (湖南科技大学化学化工学院化学系摇 湖南湘潭411201) 摇 摇 摘要摇 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。 摇 摇 关键词摇 同位素效应摇 纯净物摇 单质摇 化合物 摇 摇 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)。 这个信息告诉人们,化学物质的任何一个“微小的冶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。 [1] 摇 摇 中学教材在描述纯净物时 ,认为同种物质组成的是纯净物(pure substance),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摇 同位素对物质结构的影响 摇 摇 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50年代,科学家测 2 2 2 [2] 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l 比l 长0.012魡,而水分子中的l 比l 2 2 H—H D—D O—H O—D 短0.026魡。 摇 摇 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/ mol 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 2 2 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摇 同位素效应对物质基本物理性质的影响 摇 摇 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D 和T 而言就 2 2 2 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 2 2 * 基金资助:湖南省有机化学精品课程建设项目;国家

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