Minden elem alapegysége atomok, és egy atom három alapvető részecskét tartalmaz, amelyek negatív töltésű elektronok, pozitív töltésű protonok és semleges részecskék neutronjai. Az atommagban lévő protonok és neutronok számát az elemek tömegének, a protonok számát pedig atomszámnak nevezzük. Ugyanazokat az elemeket, amelyek atomjai ugyanannyi protont, de eltérő számú neutront tartalmaznak, izotópoknak nevezzük. Példa erre a hidrogén, amelynek három izotópja van. Ez egy nulla neutront tartalmazó hidrogén, egy neutront tartalmazó deutérium és két neutront tartalmazó trícium. Ez a cikk a hidrogén izotópjára, a deutériumra összpontosít, amelyet nehéz hidrogénnek is neveznek.
Mi az a deutérium?
A deutérium a hidrogén izotópja, amely egy neutronban különbözik a hidrogéntől. A hidrogénnek általában csak egy protonja van, míg a deutériumnak egy protonja és egy neutronja. Széles körben alkalmazzák reakciókbandivízió.
A deutérium (kémiai jele D vagy ²H) a hidrogén stabil izotópja, amely rendkívül kis mennyiségben fordul elő a természetben. A deuteronnak nevezett deutériummag egy protont és egy neutront tartalmaz, míg a sokkal gyakoribb hidrogénmag csak egy protont tartalmaz, neutronokat nem. Ezért a deutérium minden atomjának tömege körülbelül kétszerese egy közönséges hidrogénatomnak, és a deutériumot nehéz hidrogénnek is nevezik. Nehézvíznek nevezzük azt a vizet, amelyben a közönséges hidrogénatomokat deutérium atomok helyettesítik.
Főbb jellemzők
A deutérium izotóptömege - 2, 014102 egység. A deutérium felezési ideje stabil, mivel stabil izotóp.
A deutérium többletenergiája 13 135 720 ± 0,001 keV. A deutérium mag kötési energiája 2224,52 ± 0,20 keV. A deutérium az oxigénnel egyesülve D2O-t (2H2O) képez, más néven nehézvizet. A deutérium nem radioaktív izotóp.
A deutérium nem veszélyes az egészségre, de atomfegyverek készítésére használható. A deutériumot nem mesterségesen állítják elő, mivel természetesen bővelkedik az óceánvízben, és sok generációt szolgálhat ki. Centrifugálási eljárással nyerik ki az óceánból.
Nehézhidrogén
A nehézhidrogén a hidrogén bármely magasabb izotópjának neve, mint például a deutérium és a trícium. De gyakrabban használják deutériumhoz. Atomtömege azkörülbelül 2, atommagja pedig 1 protont és 1 neutront tartalmaz. Így tömege kétszerese a normál hidrogénének. A deutériumban lévő extra neutron nehezebbé teszi a normál hidrogénnél, ezért nevezik nehézhidrogénnek.
A nehéz hidrogént Harold Urey fedezte fel 1931-ben – ezt a felfedezést 1934-ben kémiai Nobel-díjjal tüntették ki. Urey megjósolta a különbséget a molekuláris hidrogén (H2) és a megfelelő molekula gőznyomása között, ahol az egy hidrogénatomot deutérium (HD) helyettesíti, és így azt a lehetőséget, hogy ezeket az anyagokat folyékony hidrogén desztillációjával elválasztják. A folyékony hidrogén desztillációjából származó maradékban deutériumot találtak. Tiszta formájában G. N. Lewis elektrolitikus koncentrációs módszerrel. A víz villamosítása során hidrogéngáz képződik, amely kis mennyiségű deutériumot tartalmaz, így a deutérium koncentrálódik a vízben. Amikor a víz mennyiségét az eredeti térfogatának körülbelül százezrelékére csökkentik folyamatos elektrolízissel, szinte tiszta deutérium-oxidot, azaz nehézvizet kapunk. Ezt a nehézvíz-előkészítési módszert a második világháború idején használták.
Etimológia és vegyjele
A "deutérium" név a görög deuteros szóból származik, ami azt jelenti, hogy "második". Ez azt jelzi, hogy egy két részecskéből álló atommag esetében a deutérium a második izotóp a közönséges (vagy könnyű) hidrogén után.
A deutériumot gyakran a vegyi anyag jelöliszimbólum D. A hidrogén 2-es tömegszámú izotópjaként H-ként is ábrázoljuk. A deutérium képlete 2H. A Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója (IUPAC) engedélyezi a D-t és a H-t is, bár a H előnyben részesítendő.
Hogyan lehet deutériumot nyerni a vízből?
A deutérium vízben való koncentrálásának hagyományos módszere izotópcserét alkalmaz hidrogén-szulfid gázban, bár jobb módszereket fejlesztenek ki. A hidrogén különböző izotópjainak szétválasztása gázkromatográfiával és kriogén desztillációval is elvégezhető, amelyek a fizikai tulajdonságok különbségeit használják fel az izotópok elválasztására.
Deutériumvíz
A deutériumvíz, más néven nehézvíz, hasonló a közönséges vízhez. Deutérium és oxigén kombinációjából jön létre, és 2H2O-nak nevezik. A deutériumvíz viszkózusabb, mint a hagyományos víz. A nehézvíz 10,6%-kal sűrűbb, mint a közönséges víz, így a nehézvíz jege elsüllyed a közönséges vízben. Egyes állatok számára a deutériumvíz mérgező, míg mások túlélnek nehéz vízben, de lassabban fejlődnek benne, mint a normál vízben. A deutériumvíz nem radioaktív. Az emberi szervezet körülbelül 5 gramm deutériumot tartalmaz, és ez ártalmatlan. Ha a nehéz víz nagy mennyiségben kerül a szervezetbe (például a testben lévő víz körülbelül 50%-a nehézzé válik), az sejtműködési zavarokhoz és végső soron halálhoz vezethet.
Különbségek a nehézvízben:
- A fagyáspont 3,82°C.
- Hőmérsékletforráspont 101,4 °C.
- A nehézvíz sűrűsége 1,1056 g/ml (a normál víz 0,9982 g/ml).
- A nehézvíz pH-ja 7,43 (a normál víz 6,9996).
- A sima víz és a nehéz víz ízében és illatában enyhe különbség van.
Deutérium használata
A tudósok számos felhasználási lehetőséget fejlesztettek ki a deutériumnak és vegyületeinek. Például a deutérium egy nem radioaktív izotóp nyomjelző a kémiai reakciók és az anyagcsere-utak tanulmányozására. Ezenkívül hasznos a makromolekulák neutronszórásos vizsgálatához. A deuterált oldószereket (például a nehézvizet) általában a mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiában használják, mivel ezek az oldószerek nem befolyásolják a vizsgált vegyületek NMR-spektrumát. A deuterált vegyületek a femtoszekundumos infravörös spektroszkópiában is hasznosak. A deutérium a magfúziós reakciók tüzelőanyaga is, amelyet egy nap ipari méretekben is felhasználhatnak elektromos áram előállítására.
