同位素交换是两种同位素原子在两个不同分子或离子间或一个分子的不同位置上的化学交换，以及两种同位素分子在不同聚集态之间的交换。

同位素交换是体系中同位素发生再分配的过程。体系中物理和化学状态没有变化的情况下，在不同分子间、同一分子内和不同的相间、相同的原子或同位素原子之间都存在同位素交换。例如碘乙烷与碘离子之间的同位素交换。　同位素交换反应是可逆的，并且和一般的化学反应一样，其反应进行的程度可用平衡常数来表示。这是等分子反应，而且反应前后化学组分不发生变化，仅同位素的浓度在各化学组分之间重新分配。

给定元素的同位素原子在分子内部、不同分子或不同相之间进行重新分配，而不引起体系分子组成性质和数量的变化，这种过程称为同位素交换。同位素交换分为均相和多相同位素交换两种。均相同位素交换，按其交换机理可分为通过解离，缔合，可逆物理、化学反应过程和电子转移引起的同位素交换;多相同位素交换，涉及同位素在相内及穿过相界面的移动，可能是同位素原子或分子在相之间进行的纯物理交换过程，或是按照均相同位素交换相似的机理进行交换。例如银在金属银和银离子之间的交换是多相同位素交换。

同位素交换的研究对放射化学基础理论和同位素应用技术方面都有重要的意义，在研究核转变过程产物的化学状态的分布时，必须考虑到同位素交换，否则将导致错误的结论。利用同位素交换过程可以研究反应速度、反应机理、催化过程、晶体表面性质，同位素交换也是合成标记化合物的有效方法。

同位素交换反应机理主要分为：

①电离机理，进行同位素交换的分子先解离成离子或自由基，在复合为分子时发生同位素的重新分配，例如：

② 缔合机理，进行同位素交换反应的分子缔合，生成中间配合物。如果不同的同位素原子在此配合物中是等价的，并且是公用的，则中间配合物再分解时就产生同位素在两分子间的重新分配，例如：

同位素交换反应的速率与分子的结构有关，有的可以在瞬间完成，有的则需要在催化剂的作用下（或高温下）才能缓慢地进行。例如,甲酸中羧基上的氢与DO在瞬间就交换了；而甲基上的氢在100℃时要经过几天才能交换10%。

同位素交换反应已用于揭示化学反应机理及分子结构和性质的研究中，还广泛用于轻元素的同位素分离中。

类型同位素交换反应类型主要分为三种：

① 不同取代级的同位素分子间的歧化反应。

② 不同分子间的简单同位素交换反应。

③ 复杂的同位素交换反应，在不同的分子间或不同的基团间发生同位素交换，而又有不同的同位素取代级。例如，DO与甲苯之间的氘同位素交换中，水分子中的氘可以与甲基上的氢或苯环上的氢（又分邻、间、对位）发生同位素交换。

同位素交换反应是可逆的，并且和一般的化学反应一样，其反应进行的程度可用平衡常数来表示。这是等分子反应，而且反应前后化学组分不发生变化，仅同位素的浓度在各化学组分之间重新分配。