Дейтерій – це… Визначення, застосування, властивості

Всі елементи мають атоми в якості своєї основної одиниці, а атом містить три фундаментальні частинки, які є негативно зарядженими електронами, позитивно зарядженими протонами і нейтронами нейтральних частинок. Кількість протонів і нейтронів, присутніх в ядрі, називається масовим числом елементів, а число протонів – атомним номером. Ті ж самі елементи, атоми яких містять однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів називаються ізотопами. В якості прикладу можна взяти водень, який має три ізотопи. Це водень з нульовими нейтронами, дейтерій, що містить один нейтрон, і тритій – він містить два нейтрона. У цій статті мова піде про ізотоп водню, який називається дейтерієм, відомому так само, як важкий водень.

Що таке дейтерій?

Дейтерій – це ізотоп водню, який відрізняється від водню одним нейтроном. Зазвичай водень має тільки один протон, а дейтерій – один протон і один нейтрон. Він широко застосовується в реакціях поділу.

Дейтерій (хімічний символ D або 2H) є стабільним ізотопом водню, що зустрічається в природі у надзвичайно невеликих кількостях. Ядро дейтерію, зване дейтроном, містить один протон і один нейтрон, тоді як набагато більш поширене ядро водню містить тільки один протон і не містить нейтронів. Отже, кожен атом дейтерію має масу, яка приблизно вдвічі більше маси звичайного атома водню і дейтерію також називають важким воднем. Вода, в якій звичайні атоми водню замінені атомами дейтерію, називається важкою водою.

Основні характеристики

Ізотопна маса дейтерію – 2,014102 од. Дейтерій має стабільний період напіврозпаду, оскільки він є стабільним ізотопом.

Надлишкова енергія дейтерію становить 13 135,720 ± 0,001 кев. Енергія зв’язування для ядра дейтерію – 2224,52 ± 0,20 кев. Дейтерій з’єднується з киснем з утворенням D2O (2Н2О), так само відомому, як важка вода. Дейтерій – це не радіоактивний ізотоп.

Дивіться також:  Значення слова "архаїчний", приклади речень і синоніми

Дейтерій не небезпечний для здоров’я, але може бути використаний для створення ядерної зброї. Дейтерій не проводиться штучно, оскільки він природним чином у великій кількості присутній в океанській воді і може служити багатьом поколінням людей. Його витягують з океану, використовуючи процес центрифугування.

Важкий водень

Важкий водень – це назва будь-якого з вищих ізотопів водню, таких як дейтерій і тритій. Але найчастіше воно використовується для дейтерію. Його атомна маса становить близько 2, і в його ядрі міститься 1 протон і 1 нейтрон. Таким чином, його маса в два рази більше маси нормального водню. Додатковий нейтрон в дейтерію робить його важче нормального водню, тому його називають важким воднем.

Важкий водень був виявлений Гарольдом Юрі в 1931 році – це відкриття було удостоєно Нобелівської премії по хімії в 1934 році. Юрі передбачив різницю між тиском пари молекулярного водню (H2) і відповідної молекули з одним атомом водню, заміненим дейтерієм (HD), і, таким чином, можливість поділу цих речовин шляхом перегонки рідкого водню. Дейтерій був виявлений в залишок від перегонки рідкого водню. Він був приготований в чистому вигляді Р. Н. Льюїсом з допомогою електролітичного методу концентрації. Коли вода електризується, утворюється газоподібний водень, який містить невелику кількість дейтерію, тому дейтерій концентрується у воді. Коли кількість води зменшується до приблизно ста тисячних від її початкового об’єму в результаті триваючого електролізу, забезпечується майже чистий оксид дейтерію, відомий як важка вода. Цей метод приготування важкої води був використаний під час Другої світової війни.

Етимологія та хімічний символ

Назва “дейтерій” походить від грецького слова deuteros, що означає “другий”. Це вказує на те, що з атомним ядром, що складається з двох часток, дейтерій – це другий ізотоп після звичайного (або легкого) водню.

Дивіться також:  Сузір'я Чаша: міф і наука

Дейтерій часто позначається хімічним символом D. Як ізотоп водню з масовим числом 2, він також представлений як H. Формула дейтерію – 2Н. Міжнародний союз теоретичної і прикладної хімії (IUPAC) допускає використання як D, так і H, хоча кращим є H.

Як отримати дейтерій із води?

Традиційний метод концентрування дейтерію у воді використовує ізотопний обмін в газоподібному сірководні, хоча в даний час розробляються досконаліші методи. Поділ різних ізотопів водню також можна проводити за допомогою газової хроматографії та кріогенної дистиляції, які використовують відмінності у фізичних властивостях для розділення ізотопів.

Дейтерієва вода

Вода дейтерію, так само відома, як важка вода, схожа на звичайну воду. Вона утворена комбінацією дейтерію і кисню і позначається як 2Н2О. Дейтерієва вода більш в’язка, ніж звичайна. Важка вода щільніше звичайної на 10,6%, тому лід важкої води тоне у звичайній воді. Для деяких тварин дейтерієва вода є токсичною, в той час як інші здатні вижити у важкій воді, але розвиватися в ній вони будуть повільніше, ніж у нормальної. Дейтерієва вода не радіоактивна. Організм людини містить близько 5 грамів дейтерію, і він нешкідливий. Якщо важка вода потрапляє в організм у великих кількостях (наприклад, близько 50% води в організмі стає важкою), це може призвести до дисфункції клітин, і в кінцевому підсумку – до смерті.

Відмінності важкої води:

  • Температура замерзання становить 3,82 °С.
  • Температура кипіння становить 101,4 °С.
  • Щільність важкої води становить 1,1056 г/мл (нормальної води – 0,9982 г/мл).
  • pH важкої води становить 7,43 (звичайної води – 6,9996).
  • Існує невеличка різниця в смаку і запаху простий і важкої води.

Застосування дейтерію

Вчені розробили безліч варіантів використання для дейтерію і його сполук. Наприклад, дейтерій – це нерадіоактивний ізотопний індикатор для вивчення хімічних реакцій і метаболічних шляхів. Крім того, він корисний для вивчення макромолекул за допомогою розсіювання нейтронів. Дейтеровані розчинники (як важка вода) зазвичай використовуються в спектроскопії ядерного магнітного резонансу (ЯМР), оскільки ці розчинники не впливають на спектри ЯМР досліджуваних сполук. Дейтеровані з’єднання також корисні для фемтосекундной інфрачервоної спектроскопії. Дейтерій також є паливом для реакцій ядерного синтезу, які коли-небудь можуть бути використані для виробництва електроенергії в промислових масштабах.

Дивіться також:  Караність - це... Караність злочину