Wszystkie pierwiastki mają atomy jako podstawową jednostkę, a atom zawiera trzy podstawowe cząstki, które są ujemnie naładowanymi elektronami, dodatnio naładowanymi protonami i neutronami cząstek neutralnych. Liczbę protonów i neutronów obecnych w jądrze nazywamy liczbą masową pierwiastków, a liczbę protonów liczbą atomową. Te same pierwiastki, których atomy zawierają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów, nazywamy izotopami. Przykładem jest wodór, który ma trzy izotopy. Jest to wodór bez neutronów, deuter zawierający jeden neutron, a tryt zawierający dwa neutrony. W tym artykule skupimy się na izotopie wodoru zwanym deuterem, znanym również jako wodór ciężki.
Co to jest deuter?
Deuter to izotop wodoru, który różni się od wodoru jednym neutronem. Zazwyczaj wodór ma tylko jeden proton, podczas gdy deuter ma jeden proton i jeden neutron. Jest szeroko stosowany w reakcjachpodział.
Deuter (symbol chemiczny D lub ²H) to stabilny izotop wodoru występujący w przyrodzie w bardzo małych ilościach. Jądro deuteru, zwane deuteronem, zawiera jeden proton i jeden neutron, podczas gdy znacznie powszechniejsze jądro wodoru zawiera tylko jeden proton i nie zawiera neutronów. Dlatego każdy atom deuteru ma masę około dwa razy większą niż zwykły atom wodoru, a deuter jest również nazywany ciężkim wodorem. Woda, w której zwykłe atomy wodoru są zastąpione atomami deuteru, nazywana jest ciężką wodą.
Kluczowe funkcje
Izotopowa masa deuteru - 2,014102 jednostki. Deuter ma stabilny okres półtrwania, ponieważ jest stabilnym izotopem.
Nadmiarowa energia deuteru wynosi 13 135,720 ± 0,001 keV. Energia wiązania jądra deuteru wynosi 2224,52 ± 0,20 keV. Deuter łączy się z tlenem, tworząc D2O (2H2O), znany również jako ciężka woda. Deuter nie jest izotopem radioaktywnym.
Deuter nie jest niebezpieczny dla zdrowia, ale może być używany do tworzenia broni nuklearnej. Deuter nie jest wytwarzany sztucznie, ponieważ naturalnie występuje w wodzie oceanicznej i może służyć wielu pokoleniom ludzi. Jest pozyskiwany z oceanu w procesie wirowania.
Ciężki wodór
Ciężki wodór to nazwa dowolnego z wyższych izotopów wodoru, takich jak deuter i tryt. Ale częściej jest używany do deuteru. Jego masa atomowa wynosiokoło 2, a jej jądro zawiera 1 proton i 1 neutron. Tak więc jego masa jest dwukrotnie większa niż normalnego wodoru. Dodatkowy neutron w deuterze sprawia, że jest on cięższy niż normalny wodór, dlatego nazywa się go ciężkim wodorem.
Ciężki wodór został odkryty przez Harolda Ureya w 1931 roku – odkrycie to zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 1934 roku. Urey przewidział różnicę między prężnością pary wodoru cząsteczkowego (H2) a odpowiednią cząsteczką z jednym atomem wodoru zastąpionym przez deuter (HD), a tym samym możliwość rozdzielenia tych substancji przez destylację ciekłego wodoru. W pozostałości po destylacji ciekłego wodoru znaleziono deuter. Został przygotowany w czystej postaci przez G. N. Lewis przy użyciu metody koncentracji elektrolitycznej. Kiedy woda jest naelektryzowana, powstaje wodór, który zawiera niewielką ilość deuteru, więc deuter jest skoncentrowany w wodzie. Kiedy ilość wody zostaje zmniejszona do około stu tysięcznych jej pierwotnej objętości przez ciągłą elektrolizę, dostarczany jest prawie czysty tlenek deuteru, znany jako ciężka woda. Ta metoda przygotowania ciężkiej wody była używana podczas II wojny światowej.
Etymologia i symbol chemiczny
Nazwa "deuter" pochodzi od greckiego słowa deuteros, które oznacza "drugi". Wskazuje to, że z jądrem atomowym składającym się z dwóch cząstek, deuter jest drugim izotopem po zwykłym (lub lekkim) wodorze.
Deuter jest często oznaczany przez substancję chemicznąsymbol D. Jako izotop wodoru o liczbie masowej 2 jest również przedstawiany jako H. Wzór na deuter to 2H. Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) dopuszcza zarówno D, jak i H, chociaż preferowany jest H.
Jak uzyskać deuter z wody?
Tradycyjna metoda zatężania deuteru w wodzie wykorzystuje wymianę izotopów w gazowym siarkowodorze, chociaż opracowywane są lepsze metody. Rozdzielanie różnych izotopów wodoru można również przeprowadzić za pomocą chromatografii gazowej i destylacji kriogenicznej, które wykorzystują różnice we właściwościach fizycznych do rozdzielania izotopów.
Woda deuterowa
Woda deuterowa, znana również jako woda ciężka, jest podobna do zwykłej wody. Powstaje z połączenia deuteru i tlenu i jest oznaczony jako 2H2O. Woda deuterowa jest bardziej lepka niż zwykła woda. Ciężka woda jest o 10,6% gęstsza niż zwykła woda, więc lód ciężkiej wody tonie w zwykłej wodzie. Dla niektórych zwierząt woda deuterowa jest toksyczna, podczas gdy inne mogą przetrwać w ciężkiej wodzie, ale będą się w niej rozwijać wolniej niż w normalnej wodzie. Woda deuterowa nie jest radioaktywna. Ciało ludzkie zawiera około 5 gramów deuteru i jest nieszkodliwe. Jeśli ciężka woda dostanie się do organizmu w dużych ilościach (na przykład około 50% wody w organizmie staje się ciężka), może to prowadzić do dysfunkcji komórek, a ostatecznie do śmierci.
Różnice w ciężkiej wodzie:
- Temperatura zamarzania wynosi 3,82°C.
- Temperaturatemperatura wrzenia 101,4 °C.
- Gęstość ciężkiej wody wynosi 1,1056 g/mL (normalna woda to 0,9982 g/mL).
- PH ciężkiej wody wynosi 7,43 (normalna woda to 6,9996).
- Istnieje niewielka różnica w smaku i zapachu pomiędzy zwykłą wodą a ciężką wodą.
Użycie deuteru
Naukowcy opracowali wiele zastosowań deuteru i jego związków. Na przykład deuter jest nieradioaktywnym znacznikiem izotopowym do badania reakcji chemicznych i szlaków metabolicznych. Ponadto jest przydatny do badania makrocząsteczek z wykorzystaniem rozpraszania neutronów. Rozpuszczalniki deuterowane (takie jak ciężka woda) są powszechnie stosowane w spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), ponieważ rozpuszczalniki te nie wpływają na widma NMR badanych związków. Związki deuterowane są również przydatne w femtosekundowej spektroskopii w podczerwieni. Deuter jest także paliwem do reakcji syntezy jądrowej, które pewnego dnia może zostać wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej na skalę przemysłową.
