C-H 键与 C-D 键有什么化学性质上的区别？ 第1页

这是一个很好的问题，有些中学教材喜欢说同位素化学性质相同，然而并不是，尤其对于H/D来讲。

的答案很好，再补充一些。

H/D在化学键振动能的区别是所有稳定同位素体系里最大的，因为H和D的相对质量差了整整一倍。简单来看的话，可以把共价键模拟成简谐振子，其中振动能符合以下公式：

μ是约化质量。对于C-H是0.92,C-D是1.71。

因此C-H键的零点能（Zero Point Energy，基态的能量）比C-D键的零点能高出许多。这个能量差与化学环境有关，一般来讲键能越强差别越大。而在动力学理论里，翻译速率取决于活化能，既是反应物零点能和过渡态零点能的区别。过渡态一般来讲不稳定，化学键弱，因此H/D之间的差别很小。因此，C-H和C-D的活化能由反应物主导，意味着当一个反应发生时，C-H的活化能比C-D低，体现在反应速率上就是H比D快。（如下图）

在动力学同位素效应（Kinetic Isotope Effect, KIE）的研究里一般用H的反应常数比D的反应常数来表示这个效应，也就是kH/kD。在正常同位素效应（Normal Isotope Effect）里，这个比值都大于1。随便找了几个例子：

H和D的反应速率有时候可以差好几倍。

以上提到的是零点能引起的同位素效应。对于C-H和C-D这个例子来讲，它们的零点能相差4.8kJ/mol，如果不考虑过渡态里H/D差别的话，利用这个数字计算得到的kH/kD是6.8。这就是这种动力学同位素效应预测的H/D速率差的上限。

除了零点能引起的动力学同位素效应还有一种很重要的叫做量子力学隧穿(Quantum tunneling)同位素效应。这个现象指的是量子力学下，粒子是具有不确定性的，以波函数的形势存在。这意味着有一部分的波函数可能会直接存在于势垒的另一边。因此部分粒子可以不需要像在经典力学里一样翻越能量壁垒而是通过这种“隧道效应”直接达成反应。这个效应目前仅在H/D上观察到，而且质子的隧穿效应比氘强很多。因此当反应发生隧穿时对H/D的影响很大。比如维基百科上的这个例子：

H比D快二十多倍。