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News2021.05.12

空间同位素效应 (Steric isotope effect)

同位素效应的根本原因是不同同位素或核素(nuclide)有不同的质量、核自旋、及体积。如果一个过程中,同位素核素间的核自旋和体积的影响差别可以忽略不记,那我们就会观察到经典的同位素质量分馏。但如果后两者的影响不可忽略,我们就会观察到同位素的非质量分馏。我自己偏好称之为“非完全质量 (Not-Totally Mass-Dependent or NTMD) 分馏” 。

但是,一个元素想要遗世独立是很难的。比如氢原子或氧原子,它们很少能自主自由地与别的元素结合或分离。因此,在绝大多数过程中,它们不仅有闺蜜陪伴,背后还有七姑八舅。这就造成了我们观察到的大多数分馏是同位素体 (isotopologues)间的分馏。好在只要同位素间的核自旋或体积的影响差别可以忽略不记,这些同位素体在不同物理化学过程中,尽管分馏有大有小,我们观察到的依旧是经典的质量分馏。

但是,有一个例外:反应位置几何空间的限制。

可以想象,如果一个化学反应只能在分子中或界面的某个特定的空间位置进行,替换了同位素的一个同位素体就有可能因为体型的稍不合适而被歧视而排挤。这样的“歧视” 不是纯粹质量依赖的,而是由同位素体的几何形状与特定反应位置的匹配度所决定的。这类空间同位素效应在有机大分子 (Melander and Carter, 1964;Saunders et al., 2007)或表面催化反应中 (Tse et al., 2016)比较常见,而且在氢氘同位素体系中最明显,因为氢同位素之间各方面差别最大。空间位阻同位素效应应该属于NTMD分馏。

这样的空间位阻同位素效应在气态或溶液中无机的小离子小分子间会很少出现。这大概是在地学中还没引起注意的原因。

原创:鲍惠铭

出品:高维度稳定同位素

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