isotopikseffekter

Isotopikseffekter är förändringar i fysikaliska eller kemiska egenskaper när isotoper av samma grundämne ersätter varandra i en process. Effekterna uppträder i allt från reaktionshastigheter och jämvikter till vibrationala frekvenser och spektrala egenskaper. De är ofta små men kan vara avgörande för att förstå mekanismer eller för att spåra processer.

Huvudtyperna är primära och sekundära isotopikseffekter. Primära effekter uppstår när den isotop som byts in ingår direkt i bonden som bryts eller bildas i den hastighetsbestämmande stegen. Sekundära effekter uppstår när isotopen inte är i den aktiva bindningen men påverkar reaktionen genom massförändringen i systemet. Utöver dessa förekommer även effekter från tunneling av lätta partiklar och från förändringar i vibrational nollpunktsenergi.

Orsakerna till isotopikseffekter är huvudsakligen skillnader i massa mellan isotopparna. Detta påverkar reduktionsmassan och vibrationala frekvenser, vilket i sin tur kan ändra aktiveringsenergin och nollpunktsenergier i kemiska bindningar. Eftersom dessa energier styr hur lätt eller svårt det är att genomföra en reaktion, uppträder skillnader i reaktionshastigheter mellan isotoperna.

Användningar inkluderar studier av reaktionsmekanismer genom kinetisk isotopisk effekt (KIE), isotopfraktionering i geologi och klimatforskning samt isotopspårning och märkning i biologi och miljövetenskap. Vanliga mätmetoder är masspektrometri och NMR, ofta kombinerade med isotopiska märkningsstudier för att följa fördelningen av olika isotoper i ett system.

Exempelvis mäts KIE som förhållandet k_light/k_heavy i en kemisk reaktion. Stabila isotoper som 13C, 15N eller 18O används ofta för att kartlägga mekanismer, medan naturliga variationer i isotopförhållanden används i geokemi och paleoklimatforskning.