Дейтерий

Дейтерий

Дейте́рий (лат. deuterium, от греч. δεύτερος «второй»), тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона.

Открыт в 1932 году американским физико-химиком Гарольдом Юри. Природное содержание — 0,0115 ± 0,0070[2] %.

Изотопные модификации соединений водорода[ | ]

Соединения изотопов водорода практически не различаются по химическим свойствам, но обладают довольно различными физическими свойствами (температура плавления, кипения, вес)[3]. Молекула D2, состоит из двух атомов дейтерия. Вещество имеет следующие физические свойства:

• Температура плавления −254,5 °C.
• Температура кипения −249,5 °C (23,57K).
• Межъядерное расстояние 0,07416 нм[4].
• Энергия диссоциации (при 0K) 439,68 кДж/моль[4].

дейтерия в природном водороде — 0,011…0,016 ат.%[5]. Так, в морской воде у берегов соотношение атомных концентраций [D]/[Н] составляет (1,55÷1,56)·10−4 (один атом дейтерия на 6410÷6450 атомов протия), в околоповерхностных водах — (1,32÷1,51)·10−4 (1:6600÷7600), в природном газе — (1,10÷1,34)·10−4 (1:7500÷9100)[5].

По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определенные особенности.

Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее.

Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжёлой воды (вода состава D2O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия).

Получение[ | ]

Мировое производство дейтерия — десятки тысяч тонн в год. Крупнейшими производителями тяжёлой воды в мире являются Индия, Китай и Иран[6].

В промышленности для получения тяжелой воды (обогащения воды дейтерием) в своей основе служат процессы ионного обмена, в особенности , использующий изотопный обмен между водой и сероводородом.

Также используется многоступенчатый электролиз воды, ректификация воды, аммиака, жидкого водорода и т. д.[4] При электролизе 100 л воды выделяется 7,5 мл 60-процентного D2O[7].

Поэтому если после кипячения не всю воду выливать, а подливать к остатку природной воды и снова кипятить, то в воде чайника постепенно будет происходить накопление тяжелой воды.

Однако очень медленное, поэтому даже при большом количестве повторений этого процесса содержание тяжелой воды не станет опасным для здоровья, вопреки предположению В. В. Похлебкина в книге «Чай. Его типы, свойства, употребление», вышедшей в 1968 году[8].

История открытия и изучения[ | ]

Дейтерий был открыт в 1932 году Гарольдом Юри и его коллегами спектральным методом.

Резерфорд, недовольный предложенным открывателями названием «дейтон»[9], предложил вариант названия — «диплоген», а ядро, соответственно, — «диплон».

Учёные высказывали гипотезу о существовании стабильных изотопов лёгких элементов ещё в 1913 году при изучении неона. Существование этих изотопов было доказано в 1920 году методом масс-спектрометрии.

Правда, в то время преобладала теория, согласно которой изотопы различались числом «внутриядерных электронов» различных атомов элемента (нейтрон был открыт позже — в 1932 году). Измерения относительной атомной массы водорода дали значение, близкое к 1 а. е. м., которое равно массе протона.

Поэтому предполагалось, что водород не может содержать внутриядерный электрон, иначе он скомпенсирует заряд ядра. Таким образом, считалось, что у водорода нет тяжёлых изотопов.

Дейтерий впервые был открыт химиком Гарольдом Юри, работавшим в Колумбийском университете в конце 1931 года. , который помогал Юри, провёл дистилляцию пяти литров жидкого водорода, полученного в криогенном цикле. Брикведде работал в новой лаборатории низких температур, открытой в (NIST).

В результате объём жидкости составил 1 мл. Ранее такая же методика использовалась для наработки тяжелых изотопов неона.

15 июня 1933 года Юри, Мерфи и Брикведде направили письмо редактору научного журнала «The Journal of Chemical Physics», в котором предложили названия для изотопов водорода — протий (англ. protium), дейтерий (англ. deuterium) и тритий (англ.

 tritium; в случае его открытия, поскольку на тот момент тритий ещё не был открыт), в письме они отмечали, что произвели первые два названия от греческих слов «protos» («первый») и «deuteros» («второй»)[11][12].

В 1934 году Юри была присуждена Нобелевская премия по химии за открытие дейтерия.

Применение[ | ]

Наибольшие количества дейтерия применяются в атомной энергетике[6]. Он обладает самыми лучшими свойствами замедления нейтронов. В смеси с тритием или в соединении с литием-6 (гидрид лития 6LiD) применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах.

При взрыве происходят реакции:D (d, γ) 4He, D (t, n) 4HeТакже применяется в качестве меченого стабильного индикатора в химических, биологических и других лабораторных исследованиях и технике[6].

Перспективным также представляется применение дейтерия (в смеси с тритием) для получения высокотемпературной плазмы, необходимой для осуществления управляемого термоядерного синтеза (см. проект ITER)[6].

С некоторых пор дейтерий используется в медицине компаниями, разрабатывающими лекарства, которые с его помощью пытаются увеличить время метаболизма лекарства, то есть замедлить его вывод из организма, это замедление в модифицированных дейтерием лекарствах наблюдается благодаря первичному дейтериевому изотопному эффекту — уменьшению скорости реакции разрыва углерод-дейтериевых связей по сравнению с углерод-протиевыми[13][14].

Также дейтерий используется в нейтронных генераторах[6].

Примечания[ | ]

1. ↑ 123Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.

2. ↑ 1234Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
3. ↑ Кузьменко, 2007, с. 298.

4. ↑ 123Бердоносов С. С. Дейтерий // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994. — Т. 4: Пойнтинга — Робертсона — Стримеры. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8.
5. ↑ 12 Дейтерий / В кн.: Химическая энциклопедия / Редкол.

   : Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.

6. ↑ 12345Александр Семёнов. Дейтерий и тритий: водород, да не тот // Наука и жизнь. — 2018. — № 8. — С. 45-51.
7. ↑ Кузьменко, 2007, с. 299.
8. ↑ Дейтерий — в чайнике? // Химия и жизнь. — 1969. — № 2. — С. 24—25.

9. ↑ М. Олифант. Дни Кембриджа // Rutherford. Recollections of the Cambridge days». Elsevier, Amsterdam, 1972. (рус.)
10. ↑ Urey H., Brickwedde F., Murphy G. A Hydrogen Isotope of Mass 2 (англ.) // Physical Review. — 1932. — Vol. 39. — P. 164—165. — DOI:10.1103/PhysRev.39.164. — Bibcode: 1932PhRv…39..164U.
11. ↑ Urey H. C., Murphy G. M., Brickwedde F. G. (1933).

    “A Name and Symbol for H2*”. The Journal of Chemical Physics. 1: 512–513. DOI:10.1063/1.1749325.

12. ↑ Dan O'Leary (2012). “The deeds to deuterium”. Nature Chemistry. 4: 236. DOI:10.1038/nchem.1273.
13. ↑ Michael J. Barratt, Donald E. Frail. Drug Repositioning: Bringing New Life to Shelved Assets and Existing Drugs.

     — John Wiley & Sons, 2012. — P. 319.

14. ↑ Graham L. Patrick. An Introduction to Drug Synthesis. — Oxford University Press, 2015. — P. 380.

Литература[ | ]

• Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. — М.: Изд-во Экзамен, 2007. — Т. 1. — С. 299.

Дейтерий — это… Определение, применение, свойства

Все элементы имеют атомы в качестве своей основной единицы, а атом содержит три фундаментальные частицы, которые являются отрицательно заряженными электронами, положительно заряженными протонами и нейтронами нейтральных частиц. Количество протонов и нейтронов, присутствующих в ядре, называется массовым числом элементов, а число протонов — атомным номером.

Те же самые элементы, атомы которых содержат одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов, называются изотопами. В качестве примера можно взять водород, который имеет три изотопа. Это водород с нулевыми нейтронами, дейтерий, содержащий один нейтрон, и тритий — он содержит два нейтрона.

В этой статье речь пойдет об изотопе водорода, который называется дейтерием, известном так же, как тяжелый водород.

Что такое дейтерий?

Дейтерий – это изотоп водорода, который отличается от водорода одним нейтроном. Обычно водород имеет только один протон, а дейтерий — один протон и один нейтрон. Он широко применяется в реакциях деления.

Дейтерий (химический символ D или ²H) является стабильным изотопом водорода, встречающимся в природе в чрезвычайно небольших количествах.

Ядро дейтерия, называемое дейтроном, содержит один протон и один нейтрон, тогда как гораздо более распространенное ядро ​​водорода содержит только один протон и не содержит нейтронов.

Следовательно, каждый атом дейтерия имеет массу, которая примерно вдвое больше массы обычного атома водорода, и дейтерий также называют тяжелым водородом. Вода, в которой обычные атомы водорода заменены атомами дейтерия, называется тяжелой водой.

Избыточная энергия дейтерия составляет 13 135,720 ± 0,001 кэВ. Энергия связывания для ядра дейтерия — 2224,52 ± 0,20 кэВ. Дейтерий соединяется с кислородом с образованием D2O (2Н2О), так же известном, как тяжелая вода. Дейтерий – это не радиоактивный изотоп.

Дейтерий не опасен для здоровья, но может быть использован для создания ядерного оружия. Дейтерий не производится искусственно, так как он естественным образом в большом количестве присутствует в океанской воде и может служить многим поколениям людей. Его извлекают из океана, используя процесс центрифугирования.

Тяжелый водород

Тяжелый водород — это название любого из высших изотопов водорода, таких как дейтерий и тритий. Но чаще оно используется для дейтерия.

Его атомная масса составляет около 2, и в его ядре содержится 1 протон и 1 нейтрон. Таким образом, его масса в два раза больше массы нормального водорода.

Дополнительный нейтрон в дейтерии делает его тяжелее нормального водорода, поэтому его называют тяжелым водородом.

Тяжелый водород был обнаружен Гарольдом Юри в 1931 году — это открытие было удостоено Нобелевской премии по химии в 1934 году.

Юри предсказал разницу между давлением пара молекулярного водорода (H2) и соответствующей молекулы с одним атомом водорода, замененным дейтерием (HD), и, таким образом, возможность разделения этих веществ путем перегонки жидкого водорода. Дейтерий был обнаружен в остатке от перегонки жидкого водорода.

Он был приготовлен в чистом виде Г.Н. Льюисом с помощью электролитического метода концентрации. Когда вода электризуется, образуется газообразный водород, который содержит небольшое количество дейтерия, поэтому дейтерий концентрируется в воде.

Когда количество воды уменьшается до примерно ста тысячных от ее первоначального объема в результате продолжающегося электролиза, обеспечивается почти чистый оксид дейтерия, известный как тяжелая вода. Этот метод приготовления тяжелой воды был использован во время Второй мировой войны.

Этимология и химический символ

Название «дейтерий» происходит от греческого слова deuteros, что означает «второй». Это указывает на то, что с атомным ядром, состоящим из двух частиц, дейтерий – это второй изотоп после обычного (или легкого) водорода.

Дейтерий часто обозначается химическим символом D. Как изотоп водорода с массовым числом 2, он также представлен как H. Формула дейтерия — 2Н. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) допускает использование как D, так и H, хотя предпочтительным является H.

Как получить дейтерий из воды?

Традиционный метод концентрирования дейтерия в воде использует изотопный обмен в газообразном сероводороде, хотя в настоящее время разрабатываются более совершенные методы. Разделение различных изотопов водорода также можно проводить с помощью газовой хроматографии и криогенной дистилляции, которые используют различия в физических свойствах для разделения изотопов.

Дейтериевая вода

Вода дейтерия, так же известная, как тяжелая вода, похожа на обычную воду. Она образована комбинацией дейтерия и кислорода и обозначается как 2Н2O. Дейтериевая вода более вязкая, чем обычная. Тяжелая вода плотнее обычной на 10,6%, поэтому лед тяжелой воды тонет в обычной воде.

Для некоторых животных дейтериевая вода является токсичной, в то время как другие способны выжить в тяжелой воде, но развиваться в ней они будут медленнее, чем в нормальной. Дейтериевая вода не радиоактивна. Организм человека содержит около 5 граммов дейтерия, и он безвреден.

Если тяжелая вода попадает в организм в больших количествах (например, около 50% воды в организме становится тяжелой), это может привести к дисфункции клеток, и в конечном итоге — к смерти.

Отличия тяжелой воды:

• Температура замерзания составляет 3,82 °С.
• Температура кипения составляет 101,4 °С.
• Плотность тяжелой воды составляет 1,1056 г/мл (нормальной воды — 0,9982 г/мл).
• pH тяжелой воды составляет 7,43 (обычной воды — 6,9996).
• Существует небольшая разница во вкусе и запахе простой и тяжелой воды.

Применение дейтерия

Ученые разработали множество вариантов использования для дейтерия и его соединений. Например, дейтерий — это нерадиоактивный изотопный индикатор для изучения химических реакций и метаболических путей. Кроме того, он полезен для изучения макромолекул с помощью рассеивания нейтронов.

Дейтерированные растворители (как тяжелая вода) обычно используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), поскольку эти растворители не влияют на спектры ЯМР исследуемых соединений. Дейтерированные соединения также полезны для фемтосекундной инфракрасной спектроскопии.

Дейтерий также является топливом для реакций ядерного синтеза, которые когда-нибудь могут быть использованы для производства электроэнергии в промышленных масштабах.