Всички елементи имат атоми като основна единица, а атомът съдържа три основни частици, които са отрицателно заредени електрони, положително заредени протони и неутрони на неутрални частици. Броят на протоните и неутроните, присъстващи в ядрото, се нарича масов брой на елементите, а броят на протоните се нарича атомно число. Едни и същи елементи, чиито атоми съдържат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони, се наричат изотопи. Пример за това е водородът, който има три изотопа. Това е водород с нулеви неутрони, деутерий, съдържащ един неутрон, и тритий - съдържа два неутрона. Тази статия ще се фокусира върху изотоп на водорода, наречен деутерий, известен също като тежък водород.
Какво е деутерий?
Деутерият е изотоп на водорода, който се различава от водорода с един неутрон. Обикновено водородът има само един протон, докато деутерият има един протон и един неутрон. Той се използва широко при реакцииразделение.
Деутерий (химичен символ D или ²H) е стабилен изотоп на водорода, открит в природата в изключително малки количества. Деутериевото ядро, наречено деутерон, съдържа един протон и един неутрон, докато много по-често срещаното водородно ядро съдържа само един протон и никакви неутрони. Следователно всеки атом на деутерий има маса, която е около два пъти по-голяма от обикновения водороден атом, а деутерият се нарича още тежък водород. Вода, в която обикновените водородни атоми са заменени с атоми на деутерий, се нарича тежка вода.
Основни характеристики
Изотопна маса на деутерий - 2, 014102 единици. Деутерият има стабилен полуживот, защото е стабилен изотоп.
Излишната енергия на деутерий е 13,135,720 ± 0,001 keV. Енергията на свързване за ядрото на деутерия е 2224,52 ± 0,20 keV. Деутерий се комбинира с кислород, за да образува D2O (2H2O), известен също като тежка вода. Деутерият не е радиоактивен изотоп.
Деутерият не е опасен за здравето, но може да се използва за създаване на ядрени оръжия. Деутерият не се произвежда изкуствено, тъй като естествено е в изобилие в океанската вода и може да служи на много поколения хора. Извлича се от океана чрез процес на центрофугиране.
Тежък водород
Тежкият водород е името на всеки от по-високите изотопи на водорода, като деутерий и тритий. Но по-често се използва за деутерий. Неговата атомна маса еоколо 2, а ядрото му съдържа 1 протон и 1 неутрон. Така масата му е два пъти по-голяма от тази на нормалния водород. Допълнителният неутрон в деутерия го прави по-тежък от нормалния водород, поради което се нарича тежък водород.
Тежкият водород е открит от Харолд Юри през 1931 г. - това откритие е удостоено с Нобелова награда по химия през 1934 г. Юри прогнозира разликата между налягането на парите на молекулния 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. Приготвена е в чист вид от Г. Н. Люис, използвайки метода на електролитната концентрация. Когато водата се наелектризира, се образува водороден газ, който съдържа малко количество деутерий, така че деутерият се концентрира във водата. Когато количеството вода се намали до около сто хилядна от първоначалния й обем чрез продължителна електролиза, се получава почти чист деутериев оксид, известен като тежка вода. Този метод за приготвяне на тежка вода е използван по време на Втората световна война.
Етимология и химически символ
Името "деутерий" идва от гръцката дума deuteros, което означава "втори". Това показва, че с атомно ядро, състоящо се от две частици, деутерият е вторият изотоп след обикновения (или лек) водород.
Деутерият често се обозначава с химикаласимвол D. Като изотоп на водорода с масово число 2, той също е представен като H. Формулата за деутерий е 2H. Международният съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) позволява както D, така и H, въпреки че H е за предпочитане.
Как да получите деутерий от водата?
Традиционният метод за концентриране на деутерий във вода използва изотопен обмен в газ сероводород, въпреки че се разработват по-добри методи. Разделянето на различни изотопи на водорода може също да се извърши с помощта на газова хроматография и криогенна дестилация, които използват различия във физичните свойства за разделяне на изотопи.
Деутериева вода
Деутериевата вода, известна още като тежка вода, е подобна на обикновената вода. Образува се от комбинация от деутерий и кислород и се обозначава като 2H2O. Деутериевата вода е по-вискозна от обикновената вода. Тежката вода е с 10,6% по-плътна от обикновената вода, така че ледът на тежката вода потъва в обикновена вода. За някои животни деутериевата вода е токсична, докато други могат да оцелеят в тежка вода, но ще се развиват по-бавно в нея, отколкото в нормалната вода. Деутериевата вода не е радиоактивна. Човешкото тяло съдържа около 5 грама деутерий и той е безвреден. Ако тежката вода навлезе в тялото в големи количества (например около 50% от водата в тялото стане тежка), това може да доведе до дисфункция на клетките и в крайна сметка до смърт..
Разлики в тежката вода:
- Точката на замръзване е 3,82°C.
- Температураточката на кипене е 101,4 °C.
- Плътността на тежката вода е 1,1056 g/mL (нормалната вода е 0,9982 g/mL).
- РН на тежката вода е 7,43 (нормалната вода е 6,9996).
- Има лека разлика във вкуса и миризмата между обикновена вода и тежка вода.
Използване на деутерий
Учените са разработили много приложения на деутерия и неговите съединения. Например, деутерият е нерадиоактивен изотопен индикатор за изучаване на химични реакции и метаболитни пътища. В допълнение, той е полезен за изследване на макромолекули с помощта на неутронно разсейване. Деутерираните разтворители (като тежката вода) обикновено се използват в спектроскопията на ядрено-магнитен резонанс (ЯМР), тъй като тези разтворители не влияят върху ЯМР спектрите на изследваните съединения. Деутерираните съединения са полезни и за фемтосекундна инфрачервена спектроскопия. Деутерият също е гориво за реакции на ядрен синтез, което някой ден може да се използва за генериране на електричество в промишлен мащаб.
