Деутерият е... Определение, приложения, свойства

Всички елементи имат атоми като основна единица, а атомът съдържа три фундаментални частици, които са отрицателно заредени електрони, положително заредени протони и неутрони от неутрални частици. Броят на протоните и неутроните в ядрото се нарича масово число на елементите, а броят на протоните - атомен номер. Едни и същи елементи, чиито атоми съдържат един и същ брой протони, но различен брой неутрони, се наричат изотопи. Като пример може да се посочи водородът, който има три изотопа. водород, който има нула неутрони, деутерий, който има един неутрон, и тритий, който има два неутрона. В тази статия ще се спрем на изотоп на водорода, наречен деутерий, известен също като тежък водород.

Какво е деутерий?

Деутерият е изотоп на водорода, който се различава от него с един неутрон. Обикновено водородът има само един протон, но деутерият има един протон и един неутрон. Използва се широко в реакциите на делене.

Деутерият (химичен символ D или ²H) е стабилен изотоп на водорода, който се среща в природата в изключително малки количества. Ядрото на деутерия, наречено деутерон, съдържа един протон и един неутрон, докато много по-често срещаното ядро на водорода съдържа само един протон и никакви неутрони. Следователно всеки атом на деутерия има маса, която е около два пъти по-голяма от масата на обикновения водороден атом, и деутерият се нарича още тежък водород. Водата, в която обичайните водородни атоми са заменени с деутериеви, се нарича тежка вода.

Основни характеристики

Изотопната маса на деутерия е 2,014102 единици. Деутерият има стабилен период на полуразпад, защото е стабилен изотоп.

Излишната енергия на деутерия е 13 135 720 ± 0,001 keV. Свързващата енергия на ядрото на деутерия е 2224,52 ± 0,20 keV. Деутерият се съединява с кислорода и образува D2O (2H2O), известен също като тежка вода. Деутерият е нерадиоактивен изотоп.

Деутерият не е опасен за здраве, но може да се използва за създаване на ядрено оръжие. Деутерий не се произвежда изкуствено, тъй като естествено се съдържа в големи количества в океанската вода и може да служи за много поколения. Извлича се от океана чрез процес на центрофугиране.

Тежък водород

Тежък водород е наименованието на някой от висшите изотопи на водорода, като деутерий и тритий. Но по-често се използва за деутерий. Атомната му маса е около 2, а ядрото му съдържа 1 протон и 1 неутрон. Така че масата му е два пъти по-голяма от тази на обикновения водород. Допълнителният неутрон в деутерия го прави по-тежък от обикновения водород, затова той се нарича тежък водород.

Тежкият водород е открит от Харолд Ури през 1931 г. - откритие, което му носи Нобелова награда за химия през 1934 г. Ури прогнозира разликата между налягането на парите на молекулярния водород (H2) и съответната молекула с един водороден атом, заменен с деутерий (HD), и по този начин възможността за разделяне на тези вещества чрез дестилация на течен водород. Деутерий е открит в остатъка от дестилацията на течен водород. Той е приготвен в чист вид от G.Н. от Lewis по метода на електролитно концентриране. Когато водата се наелектризира, се образува водороден газ, който съдържа малки количества деутерий, така че деутерият е концентриран във водата. Когато количеството на водата се намали до около една стохилядна част от първоначалния й обем чрез продължителна електролиза, се получава почти чист деутериев оксид, известен като тежка вода. Този метод за производство на тежка вода е използван по време на Втората световна война.

Етимология и химичен символ

Името "Деутерий" произлиза от гръцката дума deuteros, която означава "втори". Това показва, че с атомно ядро, състоящо се от две частици, деутерият е вторият изотоп след обикновения (или лекия) водород.

Деутерият често се обозначава с химичния символ D. Като изотоп на водорода с масово число 2, той се представя и като H. Формулата на деутерия е 2H. Международният съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) приема както D, така и H, въпреки че H е за предпочитане.

Как да получим деутерий от вода?

Традиционният метод за концентриране на деутерий във вода използва изотопен обмен в сероводороден газ, въпреки че се разработват по-добри методи. Разделянето на различните изотопи на водорода може да се извърши и чрез газова хроматография и криогенна дестилация, които използват разликите във физичните свойства за разделяне на изотопите.

Деутериева вода

Деутериевата вода, известна също като тежка вода, е подобна на обикновената вода. Образува се от комбинацията на деутерий и кислород и се обозначава като 2H2O. Деутериевата вода е по-вискозна от обикновената вода. Тежката вода е с 10,6 % по-голяма плътност от обикновената вода, така че ледената тежка вода потъва в обикновена вода. За някои животни деутериевата вода е токсична, докато други са в състояние да оцелеят в тежка вода, но ще се развиват по-бавно в нея, отколкото в нормална вода. Деутериевата вода не е радиоактивна. Човешкото тяло съдържа около 5 грама деутерий, който е безвреден. Ако тежката вода попадне в организма в големи количества (напр. около 50% от водата в организма става тежка), това може да доведе до клетъчна дисфункция и в крайна сметка до смърт.

Разлики в тежката вода:

• Точката на замръзване е 3,82 °C.
• Температурата на кипене е 101,4 °C.
• Плътността на тежката вода е 1,1056 g/ml (нормалната вода е 0,9982 g/ml).
• pH на тежката вода е 7,43 (на обикновената вода е 6,9996).
• Има малка разлика във вкуса и мириса на обикновената и тежката вода.

Използване на деутерий

Учените са разработили различни приложения на деутерия и неговите съединения. Например деутерият е нерадиоактивен изотопен индикатор за изучаване на химични реакции и метаболитни пътища. Той е полезен и за изследване на макромолекули чрез неутронно разсейване. Деутерирани разтворители (като тежка вода) обикновено се използват в ядрено-магнитната резонансна спектроскопия (ЯМР), тъй като тези разтворители не влияят на ЯМР спектрите на изследваните съединения. Деутерираните съединения са полезни и за фемтосекундната инфрачервена спектроскопия. Деутерият е и гориво за реакциите на ядрен синтез, които един ден могат да се използват за производство на електроенергия в промишлен мащаб.